logo search
Курс лекцій ОТВГНГ Ч ІІ

1. Схема біотехнологічного виробництва

Біотехнологія (від грецького bіоs – життя, techпе – мистецтво, майстерність і lоgos – слово, навчання) – це використання живих ор­ганізмів і біологічних процесів у виробництві.

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні про­цеси при хлібопеченні, приготуванні кисломолочних продуктів, у ви­норобстві і т. д., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині XIX ст., що довели зв'язок процесів шумування (бродіння) з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одержала наукову основу. У 40 – 50-ті роки XX ст, коли був здійснений біосинтез пеніцилінів ме­тодами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх роз­витку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної про­мисловості. У 60 – 70-ті роки XX ст. почала бурхливо розвиватися клітинна інженерія. Зі створенням у 1972 р. групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК іп vitro формально пов'язане народ­ження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни гене­тичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли ро­бити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напрями визначили образ нової біотехнології. Біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією.

За спрямованістю всі біотехнологічні виробництва можна умовно поділити на дві групи. Перша має на меті одержання максимально можливої кількості біомаси, а друга – максимум виходу продуктів життєдіяльності клітин. Продукти першої групи – хлібопекарські дріжджі, біомаса нежиттєздатних клітин як джерело кормового білка і вітамінів, спори з токсинами (препарати для захисту рослин від шкідників) і т. п. Виробництва другої групи продукують органічні кис­лоти, ферменти, амінокислоти, антибіотики та інше.

Загальна схема біотехнологічного вироб­ництва в обох випадках може бути представлена у вигляді таких стадій:

• підготовка живильного середовища для культивування промисло­вого мікроорганізму – продуцента;

• одержання чистої культури продуцента;

• проведення основної ферментації – культивування продуцента;

• виділення та очищення кінцевого продукту;

• одержання товарних форм продукту.

Продуценти – штами мікроорганізмів, що мають найвищу продук­тивність.

Штами – чиста культура мікроорганізму чи вірусу (неклітинна форма), одного чітко вираженого виду, що відрізняється від іншої культури того ж виду фізіологічними властивостями.

Нижче наведена біотехнологічна система (рис. 22.1), що включає продуцент, живильне середовище та культивування продуцента.

Мікроорганізми споживають широкий спектр органічних сполук, починаючи від найпростіших вуглецевих сполук, таких як метан (СН4), метанол (СН3ОН) і вуглекислий газ (СО2), і закінчуючи природ­ними біополімерами. Як субстрат використовують також гідролізати деревини, що містять гексози і пентози, сільськогосподарські відходи, очищені нормальні парафіни нафти та ін.

Крім Карбону, клітини мікроорганізмів у процесі росту мають по­требу в джерелах Нітрогену, Фосфору, макро- і мікроелементів (К, Мg, Zn, Fe, Cu, Мо, Мn та ін.). Як пра­вило, ці компоненти заздалегідь вносяться у живильні середовища у вигляді мінеральних солей перед початком ферментації.

Таким чином, сировинною базою для біотехнологічних виробництв можуть служити як індивідуальні хімічні сполуки, для яких відомий точний хімічний склад, так і відходи харчових виробництв і сільського господарства.

Рисунок 22.1 – Схема біотехнологічного виробництва

Відділення підготовки живильного середовища являє собою цех, обладнаний ємностями для збереження рідких і твердих речовин, засо­бами їхнього транспортування та апаратами з пристроями, що пе­ремішують, для приготування розчинів, суспензій і емульсій.

Найважливішим елементом підготовки живильних середовищ є їхня стерилізація, оскільки вирощування промислового мікроор­ганізму повинне проводитись, принаймні у початковій стадії, за від­сутності сторонньої мікрофлори.

Продуценти як основа біотехнологічних виробництв

Основою будь-якого біотехнологічного виробництва є штам – продуцент цільового продукту, тому дуже важливо зберігати протягом тривалого часу корисні властивості штаму для здійснення основної ферментації.

Із більш як тисячі відомих у природі видів мікроорганізмів у біотехнологіях ви­користовується відносно мало – близько ста видів, до яких належать кілька тисяч штамів. До найбільш розповсюджених у природі і широко використовуваних груп мікроорганізмів належать мікроскопічні гриби (дріжджі, цвілі), а також бактерії.

Процес ферментації

Ефективність біотехнологічного виробництва визначається прове­денням процесу основної ферментації.

Ферментація – це сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури живиль­не середовище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клітин чи біосинтезу цільового продукту.

По закінченню ферментації утворюється складна суміш, що скла­дається з клітин продуцента, розчину неспожитих живильних компо­нентів і продуктів біосинтезу, що нагромадилися в середовищі. Таку суміш називають культуральною рідиною.

Більшість культур мікроорганізмів, що використовуються у сучас­ному виробництві, є аеробними, тобто вимагають присутності кисню в середовищі, що досягається шляхом забезпечення необхідної концент­рації розчиненого кисню в рідкому живильному середовищі. Крім то­го, застосовуються й анаеробні процеси.

Ферментатори або біореактори

Ферментацію здійснюють у ємнісних апаратах, що називаються ферментаторами або біореакторами.

Такий апарат повинен забезпечувати:

• ріст і розвиток популяції мікроорганізмів в об'ємі рідкої фази;

• підведення живильних речовин до клітин мікроорганізмів;

• відведення від мікробних клітин продуктів їхнього обміну речовин (метаболізму);

• відведення із середовища утвореного клітинами тепла.

Виробництво кормової мікробної біомаси

До числа біотехнологічних виробництв належать хлібопечення, виноробство, пиво­варіння, одержання оцту, кисломолочних продуктів (кисляку, кумису, кефіру, йогурту та ін), багато з них людство реалізувало задовго до того, як були отримані перші уявлення про мікроорганізми, що є безпосередніми учасниками цих процесів. Продуцентами у цих виробниц­твах служили мікроорганізми, що випадково потрапили і розвинулися із самої сировини.

Виробництво мікробної біомаси порівняно з альтернативними технологіями має такі переваги:

• мікроорганізми мають високу швидкість нагромадження біомаси, що у 500 – 5000 разів вища, ніж відповідно у тварин і рослин;

• мікробні клітини здатні накопичувати дуже велику кількість білку (дріжджі – до 50 %, бактерії – до 60 % по масі);

• процес вирощування мікроорганізмів протікає в м'яких умовах при температурі 30 – 40 °С, як правило, при тиску, близькому до атмос­ферного;

• технологічний процес одержання сухої біомаси менш трудо­місткий порівняно з виробництвом сільськогосподарської про­дукції.

Крім того, необхідно зазначити, що сам технологічний процес одержання біомаси мало залежить від виду використовуваної сировини. За багатьма показниками цей продукт, як повноцінний корм, такий самий чи навіть перевершує продукти рослинного чи тва­ринного походження. Наприклад, застосування тонни біомаси в птахівництві додатково дає 25 – 30 тис. штук яєць і півтори – дві тон­ни м'яса птахів, при цьому заощаджується 5 – 7 т фуражного зерна. Ця ж кількість біомаси дає змогу збільшити виробництво свинини на 0,8 т і скоротити витрати зерна на 3,5 – 5 т. За живильною цінністю тонна кормової мікробної біомаси заміняє 8 т незбираного молока при виро­щуванні телят.