Микроорганизмите се използват в промишленото производство на 1 витамини. Приложения на микроорганизми

Съвременната биотехнология се основава на постиженията на природните науки, техниката, технологиите, биохимията, микробиологията, молекулярната биология и генетиката. Биологичните методи се използват в борбата срещу замърсяването на околната среда и вредителите по растителни и животински организми. Постиженията на биотехнологиите могат да включват също използването на имобилизирани ензими, производството на синтетични ваксини, използването на клетъчни технологии в развъждането.

Хибридомите и произведените от тях моноклонални антитела се използват широко като диагностични и терапевтични лекарства.

Бактериите, гъбите, водораслите, лишеите, вирусите, протозоите играят важна роля в живота на хората. От древни времена хората са ги използвали в процесите на печене, производство на вино и бира и в различни индустрии. Понастоящем, във връзка с проблемите на получаване на ценни протеинови вещества, повишаване на плодородието на почвата, почистване на околната среда от замърсители, получаване на биологични препарати и други цели и задачи, обхватът на изследване и използване на микроорганизми се разшири значително. Микроорганизмите помагат на хората в производството на ефективни протеинови хранителни вещества и биогаз. Те се използват при прилагането на биотехнически методи за пречистване на въздуха и отпадъчните води, при използването на биологични методи за унищожаване на селскостопански вредители, при производството на лекарствени препарати, при унищожаване на отпадъчни материали.

Някои видове бактерии се използват за регенериране на ценни метаболити и лекарства, те се използват за решаване на проблемите на биологичната саморегулация и биосинтеза и за пречистване на водни тела.

Микроорганизмите и преди всичко бактериите са класически обект за решаване на общи проблеми на генетиката, биохимията, биофизиката и космическата биология. Бактериите се използват широко при решаването на много проблеми в биотехнологиите.

Микробиологичните реакции поради тяхната висока специфичност се използват широко в процесите на химични трансформации на съединения на биологично активни природни съединения. Има около 20 вида химични реакции, които се извършват от микроорганизми. Много от тях (хидролиза, редукция, окисление, синтез и др.) се използват успешно във фармацевтичната химия. При производството на тези реакции се използват различни видове бактерии, актиномицети, дрождеподобни гъбички и други микроорганизми.

Създадена е биотехнологична индустрия за производство на антибиотици, ензими, интерферон, органични киселини и други метаболити, произведени от много микроорганизми.

Някои гъбички от родовете Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) са в състояние да хидролизират сърдечни глюкозиди, ксилозиди и рамнозиди, както и гликозиди, съдържащи глюкоза, галактоза или арабиноза като крайна захар . С помощта на A.terreus се получава никотинова киселина.

Микробиологичните реакции се използват при изучаване на метаболизма на лекарствените вещества, механизма на тяхното действие, както и за изясняване природата и действието на ензимите.

Производители на биологично активни вещества са много протозои. По-специално, протозоите, които живеят в търбуха на преживните животни, произвеждат ензима целулаза, който подпомага разграждането на фибри (целулоза).

Протозоите са производители не само на ензими, но и на хистони, серотонин, липополизахариди, липополипептидоглюкани, аминокиселини, метаболити, използвани в медицината и ветеринарната медицина, хранително-вкусовата и текстилната промишленост. Те са един от обектите, използвани в биотехнологиите.

Причинителят на южноамериканската трипанозомиаза Trypanosoma cruzi е производител на противораковото лекарство круцин и неговия аналог трипаноза. Тези лекарства имат цитотоксичен ефект върху клетките на злокачествените тумори.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa също са производители на антибластомни инхибитори.

Лекарството астализид, произвеждано от Astasia longa, има не само антибластомен ефект, но и антибактериален (срещу E. coli и Pseudomonas aeruginosa), както и антипротозоен (срещу Leischmania).

Най-простите се използват за получаване на полиненаситени мастни киселини, полизахариди, хистони, серотонин, ензими, глюкани за използване в медицината, както и в хранително-вкусовата и текстилната промишленост.

Herpetomonas sp. А Crithidia fasciculate произвежда полизахариди, които предпазват животните от Trpanosoma cruzi.

Тъй като биомасата на протозоите съдържа до 50% протеин, свободно живеещите протозои се използват като източник на фуражен протеин за животните.

Ензимните препарати от Aspergillus oryzae се използват в пивоварната промишленост, докато ензимите от A.niger се използват при производството и избистрянето на плодови сокове и лимонена киселина. Печенето на печива се подобрява чрез използването на ензими A.oryzae и A.awamori. При производството на лимонена киселина, оцет, фуражи и хлебни изделия показателите за ефективност се подобряват, когато в технологичния процес се използват Aspergillus niger и актиномицети. Използването на пречистени пектиназни препарати от мицела на A. niger при производството на сокове спомага за увеличаване на добива им, намаляване на вискозитета и увеличаване на избистрянето.

Бактериалните ензими (Bac.subtilis) се използват за запазване свежестта на сладкарските изделия и там, където е нежелателно дълбокото разграждане на белтъчните вещества. Използването на ензимни препарати от Bac.subtilis в сладкарската и хлебната промишленост подобрява качеството и забавя процеса на застояване на продуктите. Ензими

Bac.mesentericus активира отстраняването на суровите кожи.

Микроорганизмите се използват широко в хранително-вкусовата и ферментационната промишленост.

Млечната мая се използва широко в млечната промишленост. С тяхна помощ пригответе кумис, кефир. Ензимите на тези микроорганизми разграждат млечната захар до алкохол и въглероден диоксид, в резултат на което вкусът на продукта се подобрява и усвояемостта му от организма се повишава. При получаването на млечнокисели продукти в млечната промишленост широко се използва мая, която не ферментира млечната захар и не разлага протеините и мазнините. Те допринасят за запазването на маслото и повишават жизнеспособността на млечнокисели бактерии. Филмовата мая (микодерма) допринася за зреенето на млечнокисели сирена.

Гъбите Penicillum roqueforti се използват в производството на сирене Roquefort, а гъбите Penicillum camemberi се използват в процеса на зреене на снакс сирене.

В текстилната промишленост пектиновата ферментация се използва широко, осигурена от ензимната активност на Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновата ферментация е в основата на първоначалната обработка на влакнестия лен, конопа и други растения, използвани за производството на прежди и тъкани.

Почти всички природни съединения се разграждат от бактерии, поради тяхната биохимична активност, не само в окислителни реакции, включващи кислород, но и анаеробно с такива акцептори на електрони като нитрат, сулфат, сяра, въглероден диоксид. Бактериите участват в кръговрата на всички биологично важни елементи и осигуряват циркулацията на веществата в биосферата. Много ключови реакции на кръговрата на материята (например нитрификация, денитрификация, фиксиране на азот, окисляване и редукция на сярата) се извършват от бактерии. Ролята на бактериите в процесите на разрушаване е определяща.

Много видове и сортове дрожди имат способността да ферментират различни въглехидрати, за да образуват алкохол и други продукти. Те се използват широко в пивоварната, винарската и хлебната промишленост. Типични представители на такива дрожди са Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Много микроорганизми, включително подобни на дрожди и някои видове микроскопични гъби, отдавна се използват при трансформирането на различни субстрати за получаване на различни видове хранителни продукти. Например използването на дрожди за производство на порест хляб от брашно, използването на гъбички от родовете Rhisopus, Aspergillus за ферментацията на ориз и соя, производството на млечнокисели продукти с помощта на млечнокисели бактерии, мая и др.

Ауксотрофни мутанти на Candida guillermondii се използват за изследване на флавиногенезата. Хифалните гъби са способни добре да асимилират въглеводороди от масло, парафин, n-хексадекан и дизелово гориво.

За различна степен на пречистване на тези вещества се използват видове от родовете Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Щамовете Penicillium се използват за използване на мастни киселини, а мастните вторични алкохоли се обработват по-добре в присъствието на щамове Penicillium и Trichoderma.

Видовете гъби Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria се използват за обезвреждане на парафини, парафиново масло, дизелово гориво, ароматни въглеводороди, многовалентни алкохоли, мастни киселини.

Penicillium vitale се използва за получаване на пречистен глюкозооксидазен препарат, който инхибира развитието на патогенни дерматомицети Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Индустриалното използване на микроорганизми за получаване на нови хранителни продукти допринесе за създаването на индустрии като хлебопекарна и млечна, производството на антибиотици, витамини, аминокиселини, алкохоли, органични киселини и др.

Използването на истински млечнокисели бактерии (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или техните комбинации с дрожди в хранително-вкусовата промишленост позволява получаването не само на млечна киселина, но и на млечнокисели и кисели растителни продукти. Те включват изварено мляко, мацони, ферментирало печено мляко, заквасена сметана, извара, кисело зеле, кисели краставици и домати, сирена, кефир, кисело тесто за хляб, квас за хляб, кумис и други продукти. За приготвяне на подквасено мляко и извара се използват Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготвянето на маслото се използват овкусители и млечнокисели стрептококи Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

В процесите на силажиране на зелени фуражи участват фалшиви млечнокисели бактерии (E. coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.).

Сред метаболитите на микробната клетка специално място заемат вещества от нуклеотиден характер, които са междинни продукти в процеса на биологично окисление. Тези вещества са много важна суровина за синтеза на производни на нуклеинови киселини, ценни антимикробни и антибластомни лекарства и други биологично активни вещества за микробиологичната промишленост и селското стопанство.

Микробиологичният синтез основно представлява реакциите, които протичат в живите клетки. За извършване на такъв синтез се използват бактерии, които са способни на фосфорилиране на пуринови и пиримидинови бази, техните нуклеозиди или синтетични аналози на нискомолекулни компоненти на нуклеинови киселини.

Такива способности имат E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

В допълнение към урана, други метали, включително злато, могат да бъдат излужени от разтвори. Бактериалното излугване на метали поради окисляването на сулфидите, съдържащи се в рудата, прави възможно извличането на метали от лошо балансирани руди.

Много изгоден и енергийно ефективен начин за превръщане на органичната материя в гориво е метаногенезата с участието на многокомпонентна микробна система. Метанобразуващите бактерии заедно с ацетоногенната микрофлора превръщат органичните вещества в смес от метан и въглероден диоксид.

Микроорганизмите могат да се използват не само за производство на газообразни горива, но и за увеличаване на производството на нефт.

Микроорганизмите могат да образуват повърхностно активни вещества, които намаляват повърхностното напрежение на границата между маслото и водата, която го измества. Изместващите свойства на водата се увеличават с увеличаване на вискозитета, което се постига чрез използването на бактериална слуз, състояща се от полизахариди.

Със съществуващите методи за разработване на нефтени находища се извличат не повече от половината от геоложките петролни запаси. С помощта на микроорганизми е възможно да се осигури измиването на нефт от резервоарите и освобождаването му от нефтени шисти.

Бактериите, окисляващи метан, поставени в масления слой, разлагат маслото и допринасят за образуването на газове (метан, водород, азот) и въглероден диоксид. Тъй като газовете се натрупват, тяхното налягане върху маслото се увеличава и освен това маслото става по-малко вискозно. В резултат на това петролът от кладенеца започва да избликва.

Трябва да се помни, че използването на микроорганизми във всякакви условия, включително геоложки, изисква създаването на благоприятни условия за сложна микробна система.

Използването на микробиологичния метод за увеличаване на добива на нефт до голяма степен зависи от геоложката ситуация. Развитието на сулфат-редуциращи бактерии във формацията може да доведе до излишно производство на сероводород и корозия на оборудването и вместо да увеличат порьозността, бактериите и тяхната слуз могат да запушат порите.

Бактериите допринасят за излужването на метали от стари мини, от които се избира руда и от сметища. В промишлеността процесите на микробиологично излугване се използват за получаване на мед, цинк, никел и кобалт.

В зоната на минните изработки, поради окисляването на серните съединения от микроорганизми в рудниците, се образуват и натрупват кисели руднични води. Сярната киселина има разрушителен ефект върху материалите, конструкциите, околната среда и носи метали със себе си. Можете да пречистите водата, да премахнете сулфатите и металите, да направите реакцията алкална с помощта на сулфат-редуциращи бактерии.

Биогенното образуване на сероводород може да се използва за пречистване на водите на металургичните индустрии. Анаеробните фотосинтезиращи бактерии причиняват дълбоко разлагане на органичната материя.

Открити са бактериални щамове, способни да обработват пластмасови изделия.

Внасянето на излишни антропогенни вещества води до нарушаване на установения природен баланс.

В началните етапи от развитието на индустрията беше достатъчно да се разпръснат замърсителите във водни течения, от които те бяха отстранени чрез естествено самопречистване. Газообразните вещества бяха разпръснати във въздуха през високи тръби.

В днешно време изхвърлянето на отпадъци се превърна в много сериозен проблем.

Представителите на микробната смес допринасят за интензифицирането на естествените процеси на пречистване на водата. Но трябва да се помни, че условието за стабилната работа на микробната общност е постоянството на състава на околната среда.

Бактериите, фитопланктонът и зоопланктонът се използват за пречистване на отпадъчни води, за да се поддържа качеството на повърхностните и подпочвените води. Биологичното пречистване на отпадъчни води може да се извършва на различни нива – преди заустването им във водоем, в самите повърхностни води, в подпочвените води при процеси на самопречистване.

Микроорганизмите се използват широко в биологичното пречистване на морските води от нефтопродукти.

Процесът трябва да се осигури чрез подаване на кислород в достатъчни количества при постоянна температура.

Една от задачите на биотехнологията е разработването на технология за получаване на протеини с помощта на микроорганизми от различни видове растителни субстрати, от метан и пречистен водород, от смес от водород и въглероден оксид, от въглеводороди от тежки масла с помощта на метилотрофни дрожди или бактерии, Candida tropicalis, метаноокисляващи и разлагащи целулоза бактерии и други микроби.

Използването на активни щамове от видове микроскопични гъбички допринася за обогатяването на такива фуражи като смесен фураж, целулоза, трици с протеини и аминокиселини. За целта се използват подбрани нетоксични бързорастящи видове термо- и мезофилни микромицети Fusarium sp., Thirlavia sp., както и някои видове висши гъби.

Друг пример за промишлено използване на гъби в биотехнологиите е култивирането на ентомопатогенни видове гъби, по-специално Beanvtria bassiana и Entomophthora thaxteriana за получаване на препарати "боверин" и "афедин", използвани за борба с фитопатогенните листни въшки.

Избрани щамове на Trichoderma viride се използват в промишленото производство на препарата триходермин, базиран на тях, за борба с фитопатогенните гъбички, особено при отглеждане на растения в оранжерийни условия (Fusarium по краставици, болести по цъфтящи растения).

Фосфобактеринът, получен от Baccilus megathrtium, е ефективно средство за увеличаване на добива на кръмно цвекло, зеле, картофи и царевица. Под въздействието на това лекарство се увеличава съдържанието на разтворим фосфор в ризосферната почва, както и фосфор и азот в зелената маса.

Най-важното условие за висока продуктивност на бобовите растения е подобряването на синтеза на азотни вещества от бобовите растения за сметка на атмосферния азот. Нодулните микроби от родовете Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, видовете Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum играят важна роля в усвояването на атмосферния азот от растенията.

От клетките на Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерии от родовете Chromatium и Klebsiella са получени азотфиксиращи препарати, които насърчават усвояването на азота от въздуха от растенията.

В селското стопанство, за да се увеличи производителността, се използват бактериални торове като Azotobacterin (приготвен от Azotobacter), Nitragin (от нодулни бактерии), Phosphobacterin (от Bac. Megatherium).

Селското стопанство използва торове и пестициди. Веднъж попаднали в естествената среда, тези вещества оказват негативно влияние върху естествените взаимоотношения в биоценозите и в крайна сметка по хранителната верига тези вещества оказват негативно влияние върху човешкото здраве. Положителна роля в унищожаването на тези вещества във водата играят аеробните и анаеробните микроорганизми.

В селското стопанство се използва биологична защита на растенията от вредители. За целта се използват различни организми – бактерии, гъбички, вируси, протозои, птици, бозайници и други организми.

Идеята за микробиологичен метод за борба с вредителите е представена за първи път от Мечников през 1879 г.

В днешно време се правят микробиологични препарати, които унищожават много вредни насекоми.

С помощта на ентеробактерин можете да се борите с почти всички гъсеници на пеперуди. Сред вредителите по овощни и ягодоплодни растения са ябълков молец, глог, дантела, копринена буба, листни червеи и др.

Вирусното лекарство вирин е много ефективно срещу гъсеници, които увреждат горските дървесни видове.

Почвените микроорганизми са една от най-големите екологични групи. Те играят важна роля в минерализацията на органичните вещества и образуването на хумус. В селското стопанство почвените микроорганизми се използват за производство на торове.

Някои видове почвени микроорганизми - бактерии, гъби (главно аскомицети), протозои влизат в сложни асоциации (асоциации) с водорасли, които са компоненти както на водните, така и на почвените биоценози.

Водораслите, като активни компоненти на почвената микрофлора, играят важна роля в биологичния цикъл на пепелните елементи.

Водораслите заедно с други микроорганизми се използват в биотехнологиите.

Процеси, включващи бактерии, дрожди и плесени, са използвани от хората от стотици години за производство на храни и напитки, за обработка на текстил и кожа, но участието на микроорганизми в тези процеси е ясно показано едва в средата на 19 век.

През 20 век индустрията е използвала всички чудесни биосинтетични способности на микроорганизмите и сега ферментацията е централна за биотехнологиите. С негова помощ се получават различни химикали и лекарства с висока чистота, правят се бира, вино, ферментирали храни. Във всички случаи процесът на ферментация е разделен на шест основни етапа.

Създаване на среда.

На първо място е необходимо да изберете подходящата хранителна среда. Микроорганизмите се нуждаят от органични източници на въглерод, подходящ източник на азот и различни минерали за техния растеж. При производството на алкохолни напитки средата трябва да съдържа малцов ечемик, кюспе от плодове или плодове. Например бирата обикновено се прави от малцова мъст, докато виното се прави от гроздов сок. В допълнение към водата и евентуално някои добавки, тези екстракти съставляват хранителната среда.

Средите за получаване на химикали и лекарства са много по-сложни. Най-често като източник на въглерод се използват захари и други въглехидрати, но често масла и мазнини, а понякога и въглеводороди. Източникът на азот обикновено е амоняк и амониеви соли, както и различни продукти от растителен или животински произход: соево брашно, соеви зърна, брашно от памукови семена, фъстъчено брашно, странични продукти от царевично нишесте, отпадъци от кланици, рибно брашно, екстракт от дрожди. Съставянето и оптимизирането на хранителна среда е изключително сложен процес, а рецептите за промишлени среди са строго пазена тайна.

Стерилизация.

Средата трябва да се стерилизира, за да се унищожат всички замърсяващи микроорганизми. Самият ферментатор и спомагателното оборудване също се стерилизират. Има два метода за стерилизация: директно впръскване на прегрята пара и нагряване с топлообменник. Желаната степен на стерилност зависи от характера на процеса на ферментация. Тя трябва да бъде максимална при получаване на лекарства и химикали. Изискванията за стерилност при производството на алкохолни напитки са по-малко строги. Такива процеси на ферментация се наричат "защитени", тъй като условията, които се създават в околната среда, са такива, че само определени микроорганизми могат да виреят в тях. Например, при производството на бира, растежната среда просто се вари, вместо да се стерилизира; ферментаторът също се използва чист, но не стерилен.

Получаване на култура.

Преди започване на процеса на ферментация е необходимо да се получи чиста високопродуктивна култура. Чистите култури от микроорганизми се съхраняват в много малки обеми и при условия, които осигуряват неговата жизнеспособност и продуктивност; това обикновено се постига чрез съхранение при ниска температура. Ферментаторът може да побере няколкостотин хиляди литра хранителна среда, като процесът започва с внасяне в нея на култура (инокулум), която е 1-10% от обема, в който ще протече ферментацията. По този начин първоначалната култура трябва да се отглежда стъпка по стъпка (със субкултивиране) до достигане на ниво на микробна биомаса, достатъчно за протичане на микробиологичния процес с необходимата продуктивност.

Абсолютно необходимо е културата да се поддържа чиста през цялото това време, като се предпазва от замърсяване от чужди микроорганизми. Запазването на асептични условия е възможно само при внимателен микробиологичен и химико-технологичен контрол.

Растеж в индустриален ферментатор (биореактор).

Индустриалните микроорганизми трябва да растат във ферментатора при оптимални условия, за да образуват желания продукт. Тези условия са строго контролирани, за да се гарантира микробен растеж и синтез на продукта. Дизайнът на ферментатора трябва да ви позволява да контролирате условията на растеж - постоянна температура, pH (киселинност или алкалност) и концентрацията на кислород, разтворен в средата.

Конвенционалният ферментатор е затворен цилиндричен резервоар, в който средата и микроорганизмите се смесват механично. През средата се изпомпва въздух, понякога наситен с кислород. Температурата се контролира от вода или пара, преминаващи през тръбите на топлообменника. Такъв ферментатор с разбъркване се използва в случаите, когато процесът на ферментация изисква много кислород. Някои продукти, напротив, се образуват при аноксични условия и в тези случаи се използват ферментатори с различен дизайн. Така бирата се вари при много ниски концентрации на разтворен кислород и съдържанието на биореактора не се аерира или разбърква. Някои пивовари все още традиционно използват отворени контейнери, но в повечето случаи процесът се извършва в затворени неаерирани цилиндрични контейнери, стесняващи се надолу, което допринася за утаяването на дрождите.

Производството на оцет се основава на окисляването на алкохола до оцетна киселина от бактерии. Ацетобактер. Процесът на ферментация протича в контейнери, наречени ацетатори, с интензивна аерация. Въздухът и средата се засмукват от въртяща се бъркалка и влизат в стените на ферментатора.

Изолиране и пречистване на продукти.

В края на ферментацията бульонът съдържа микроорганизми, неизползвани хранителни компоненти на средата, различни отпадъчни продукти от микроорганизми и продукта, който те искат да получат в промишлен мащаб. Следователно този продукт се пречиства от други компоненти на бульона. При получаване на алкохолни напитки (вино и бира) е достатъчно просто да отделите дрождите чрез филтриране и да доведете филтрата до стандарта. Въпреки това отделни химикали, получени чрез ферментация, се извличат от сложен бульон. Въпреки че промишлените микроорганизми са специално подбрани за техните генетични свойства, така че добивът на желания продукт от техния метаболизъм да е максимален (в биологичен смисъл), неговата концентрация все още е малка в сравнение с тази, постигната чрез производство, базирано на химичен синтез. Поради това е необходимо да се прибегне до сложни методи за изолиране - екстракция с разтворител, хроматография и ултрафилтрация.

Преработка и обезвреждане на отпадъци от ферментация.

При всякакви промишлени микробиологични процеси се генерират отпадъци: бульон (течност, останала след извличането на продукта от производството); клетки от използвани микроорганизми; мръсна вода, измила инсталацията; вода, използвана за охлаждане; вода, съдържаща следи от органични разтворители, киселини и основи. Течните отпадъци съдържат много органични съединения; ако бъдат изхвърлени в реките, те ще стимулират интензивния растеж на естествената микробна флора, което ще доведе до изчерпване на кислорода в речните води и създаване на анаеробни условия. Поради това отпадъците се подлагат на биологично третиране преди депониране, за да се намали съдържанието на органичен въглерод.

ПРОМИШЛЕНИ МИКРОБИОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ

Промишлените микробиологични процеси могат да се разделят на 5 основни групи: 1) култивиране на микробна биомаса; 2) получаване на метаболитни продукти на микроорганизми; 3) получаване на ензими от микробен произход; 4) получаване на рекомбинантни продукти; 5) биотрансформация на вещества.

микробна биомаса.

Самите микробни клетки могат да служат като краен продукт от производствения процес. В индустриален мащаб се произвеждат два основни вида микроорганизми: дрожди, които са необходими за печене, и едноклетъчни микроорганизми, използвани като източник на протеини, които могат да се добавят към храната на хората и животните. Хлебната мая се култивира в големи количества от началото на 20 век. и се използва като хранителен продукт в Германия по време на Първата световна война.

Технологията за производство на микробна биомаса като източник на хранителни протеини обаче е разработена едва в началото на 60-те години. Редица европейски компании обърнаха внимание на възможността за отглеждане на микроби върху такъв субстрат като въглеводороди за получаване на т.нар. протеин на едноклетъчни организми (BOO). Технологичен триумф беше разработването на продукт, добавен към храната за животни, състоящ се от изсушена микробна биомаса, отгледана върху метанол. Процесът се провежда в непрекъснат режим във ферментатор с работен обем 1,5 милиона литра. Въпреки това, поради покачването на цените на петрола и продуктите от неговата преработка, този проект стана икономически неизгоден, отстъпвайки място на производството на соя и рибно брашно. В края на 80-те години заводите на BOO са демонтирани, което слага край на бурния, но кратък период на развитие на този клон от микробиологичната индустрия. Друг процес се оказа по-обещаващ: получаване на гъбична биомаса и гъбичен протеин микопротеин, използвайки въглехидрати като субстрат.

метаболитни продукти.

След внасяне на културата в хранителната среда се наблюдава лаг фаза, когато не се наблюдава видим растеж на микроорганизми; този период може да се разглежда като време на адаптация. След това скоростта на растеж постепенно се увеличава, достигайки постоянна, максимална стойност за дадените условия; такъв период на максимален растеж се нарича експоненциална или логаритмична фаза. Постепенно растежът се забавя, а т.нар. стационарна фаза. Освен това броят на жизнеспособните клетки намалява и растежът спира.

Следвайки описаната по-горе кинетика, е възможно да се проследи образуването на метаболити на различни етапи. В логаритмичната фаза се образуват жизненоважни за растежа на микроорганизмите продукти: аминокиселини, нуклеотиди, протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати и др. Те се наричат първични метаболити.

Много първични метаболити имат значителна стойност. И така, глутаминовата киселина (по-точно нейната натриева сол) е част от много храни; лизинът се използва като хранителна добавка; фенилаланинът е предшественикът на заместителя на захарта аспартам. Първичните метаболити се синтезират от естествените микроорганизми в количества, необходими само за задоволяване на техните нужди. Следователно задачата на индустриалните микробиолози е да създават мутантни форми на микроорганизми - супер-производители на съответните вещества. В тази област е постигнат значителен напредък: например, беше възможно да се получат микроорганизми, които синтезират аминокиселини до концентрация от 100 g/l (за сравнение, организмите от див тип натрупват аминокиселини в количества, изчислени в милиграми).

Във фазата на забавяне на растежа и в стационарната фаза някои микроорганизми синтезират вещества, които не се образуват в логаритмичната фаза и не играят ясна роля в метаболизма. Тези вещества се наричат вторични метаболити. Те не се синтезират от всички микроорганизми, а главно от нишковидни бактерии, гъби и спорообразуващи бактерии. По този начин производителите на първични и вторични метаболити принадлежат към различни таксономични групи. Ако въпросът за физиологичната роля на вторичните метаболити в продуцентските клетки е бил предмет на сериозни дискусии, тогава тяхното промишлено производство е от безспорен интерес, тъй като тези метаболити са биологично активни вещества: някои от тях имат антимикробна активност, други са специфични инхибитори на ензими , а други са фактори на растежа, много от тях имат фармакологична активност. Получаването на такива вещества послужи като основа за създаването на редица отрасли на микробиологичната индустрия. Първият от тази серия беше производството на пеницилин; Микробиологичният метод за производство на пеницилин е разработен през 40-те години на миналия век и поставя основата на съвременната индустриална биотехнология.

Фармацевтичната индустрия е разработила изключително сложни методи за скрининг (масово тестване) на микроорганизми за способността им да произвеждат ценни вторични метаболити. Първоначално целта на скрининга е да се получат нови антибиотици, но скоро се открива, че микроорганизмите синтезират и други фармакологично активни вещества. През 80-те години е установено производството на четири много важни вторични метаболита. Това са: циклоспорин, имуносупресивно лекарство, използвано като средство за предотвратяване на отхвърлянето на имплантирани органи; имипенем (една от модификациите на карбапенем) е вещество с най-широк спектър на антимикробна активност от всички известни антибиотици; ловастатин - лекарство, което понижава нивата на холестерола в кръвта; Ивермектинът е противоглистно средство, използвано в медицината за лечение на онхоцеркоза или "речна слепота", както и във ветеринарната медицина.

Ензими от микробен произход.

В индустриален мащаб ензимите се получават от растения, животни и микроорганизми. Използването на последното има предимството, че позволява производството на ензими в големи количества, като се използват стандартни техники за ферментация. Освен това е несравнимо по-лесно да се увеличи продуктивността на микроорганизмите, отколкото на растенията или животните, а използването на рекомбинантна ДНК технология прави възможно синтезирането на животински ензими в клетки на микроорганизми. Ензимите, получени по този начин, се използват главно в хранително-вкусовата промишленост и свързаните с нея области. Синтезът на ензими в клетките е генетично контролиран и следователно наличните промишлени микроорганизми-продуценти са получени в резултат на насочена промяна в генетиката на див тип микроорганизми.

рекомбинантни продукти.

Рекомбинантната ДНК технология, по-известна като "генно инженерство", позволява гените на висши организми да бъдат включени в бактериалния геном. В резултат на това бактериите придобиват способността да синтезират "чужди" (рекомбинантни) продукти - съединения, които преди са можели да се синтезират само от висши организми. На тази основа са създадени много нови биотехнологични процеси за производство на човешки или животински протеини, които преди това не са били достъпни или използвани с големи рискове за здравето. Самият термин "биотехнология" става популярен през 70-те години на миналия век във връзка с разработването на методи за производство на рекомбинантни продукти. Това понятие обаче е много по-широко и включва всеки индустриален метод, основан на използването на живи организми и биологични процеси.

Първият рекомбинантен протеин, произведен в индустриален мащаб, беше човешки растежен хормон. За лечение на хемофилия се използва един от протеините на системата за кръвосъсирване, а именно фактор VIII. Преди да бъдат разработени методи за получаване на този протеин с помощта на генно инженерство, той е бил изолиран от човешка кръв; употребата на такова лекарство е свързана с риск от инфекция с човешкия имунодефицитен вирус (HIV).

Дълго време захарният диабет се лекува успешно с животински инсулин. Въпреки това учените смятат, че рекомбинантният продукт ще създаде по-малко имунологични проблеми, ако може да бъде получен в чистата си форма, без примеси от други пептиди, произведени от панкреаса. Освен това се очаква броят на пациентите с диабет да се увеличи с течение на времето поради фактори като промени в хранителните навици, подобрени грижи за бременни жени с диабет (и в резултат на това увеличаване на честотата на генетично предразположение към диабет), и накрая, очакваното увеличаване на продължителността на живота на пациентите с диабет. Първият рекомбинантен инсулин излиза на пазара през 1982 г. и до края на 80-те години той на практика замества животинския инсулин.

Много други протеини се синтезират в човешкото тяло в много малки количества и единственият начин да бъдат получени в мащаб, достатъчен за клинична употреба, е чрез рекомбинантна ДНК технология. Тези протеини включват интерферон и еритропоетин. Еритропоетинът, заедно с миелоидния колониестимулиращ фактор, регулира образуването на кръвни клетки при хората. Еритропоетинът се използва за лечение на анемия, свързана с бъбречна недостатъчност и може да намери приложение като усилвател на тромбоцитите при химиотерапия на рак.

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Хоствано на http://www.allbest.ru

Въведение

Постиженията на генетиката и генното инженерство са в основата на развитието на биотехнологиите - наука, възникнала на пресечната точка на биологията и технологиите. Съвременната биотехнология се основава на постиженията на природните науки, техниката, технологиите, биохимията, микробиологията, молекулярната биология и генетиката. Съвременната биотехнология използва биологични методи в борбата срещу замърсяването на околната среда и вредителите по растителните и животинските организми. Постиженията на биотехнологиите могат да включват също използването на имобилизирани ензими, производството на синтетични ваксини, използването на клетъчни технологии в развъждането.

Основната връзка на биотехнологичния процес е биологичен обект, способен да извърши определена модификация на суровината и да образува един или друг необходим продукт. Като такива обекти на биотехнологията могат да служат клетки от микроорганизми, животни и растения, трансгенни животни и растения, гъби, както и многокомпонентни ензимни системи от клетки и отделни ензими. Основата на повечето съвременни биотехнологични индустрии е микробният синтез, т.е. синтезът на различни биологично активни вещества с помощта на микроорганизми. За съжаление предметите от растителен и животински произход по ред причини все още не са намерили толкова широко приложение. Ето защо в бъдеще е препоръчително микроорганизмите да се разглеждат като основни обекти на биотехнологиите.

В момента са известни повече от 100 хиляди различни вида микроорганизми. Това са предимно бактерии, актиномицети, цианобактерии. При такова голямо разнообразие от микроорганизми много важен и често сложен проблем е правилният избор на точно този организъм, който е в състояние да осигури желания продукт, т.е. служат за промишлени цели.

1. Микроорганизмите като основни обекти на биотехнологиите

Понастоящем микроорганизмите помагат на хората в производството на ефективни протеинови хранителни вещества и биогаз. Те се използват при прилагането на биотехнически методи за пречистване на въздуха и отпадъчните води, при използването на биологични методи за унищожаване на селскостопански вредители, при производството на лекарствени препарати, при унищожаване на отпадъчни материали. Някои видове бактерии се използват за регенериране на ценни метаболити и лекарства, те се използват за решаване на проблемите на биологичната саморегулация и биосинтеза и за пречистване на водни тела. Микроорганизмите и преди всичко бактериите са класически обект за решаване на общи проблеми на генетиката, биохимията, биофизиката и космическата биология. Бактериите се използват широко при решаването на много проблеми в биотехнологиите.

Ролята на микроорганизмите за биотехнологиите.

1. Едноклетъчните организми, като правило, се характеризират с по-високи темпове на растеж и синтетични процеси, отколкото висшите организми. Това обаче не е така за всички микроорганизми. Някои от тях растат изключително бавно, но представляват известен интерес, тъй като са в състояние да произвеждат различни много ценни вещества.

2. Особено внимание като обект на биотехнологично развитие представляват фотосинтезиращите микроорганизми, които използват енергията на слънчевата светлина в живота си. Някои от тях (цианобактерии и фотосинтетични еукариоти) използват CO2 като източник на въглерод, а някои представители на цианобактериите, в допълнение към всичко по-горе, имат способността да асимилират атмосферния азот (т.е. те са изключително неизискващи към хранителните вещества). Фотосинтезиращите микроорганизми са обещаващи като производители на амоняк, водород, протеини и редица органични съединения. Въпреки това, поради ограничените фундаментални познания за тяхната генетична организация и молекулярно-биологични механизми на жизнена дейност, не трябва да се очаква напредък в използването им в близко бъдеще.

3. Обръща се известно внимание на такива обекти на биотехнологиите като термофилни микроорганизми, които растат при 60-80°C.

Това тяхно свойство е почти непреодолима пречка за развитието на чужда микрофлора при относително нестерилно култивиране, т.е. е надеждна защита срещу замърсяване. Сред термофилите са открити производители на алкохоли, аминокиселини, ензими и молекулярен водород. Освен това тяхната скорост на растеж и метаболитна активност са 1,5-2 пъти по-високи от тези на мезофилите. Ензимите, синтезирани от термофили, се характеризират с повишена устойчивост на топлина, някои окислители, детергенти, органични разтворители и други неблагоприятни фактори. В същото време те не са много активни при обикновени температури. Така протеазите на един от представителите на термофилните микроорганизми при 20°С са 100 пъти по-малко активни, отколкото при 75°С. Последното е много важно свойство за някои индустриални производства. Например ензимът Tag полимераза от термофилната бактерия Thermus aquaticus намери широко приложение в генното инженерство.

2. Микроорганизми във фармацията

Във фармацията микробиологичните трансформации се използват за получаване на физиологично по-активни вещества или полуфабрикати, чийто синтез по чисто химичен път се постига много трудно или изобщо не е възможен. Микробиологичните реакции се използват при изучаване на метаболизма на лекарствените вещества, механизма на тяхното действие, както и за изясняване природата и действието на ензимите. Производители на биологично активни вещества са много протозои. По-специално, протозоите, които живеят в търбуха на преживните животни, произвеждат ензима целулоза, който подпомага разграждането на фибрите. Протозоите са производители не само на ензими, но и на хистони, серотонин, липополизахариди, липополипептидоглюкани, аминокиселини, метаболити, използвани в медицината и ветеринарната медицина, хранително-вкусовата и текстилната промишленост. Те са един от обектите, използвани в биотехнологиите.

3. Микроорганизми в хранително-вкусовата промишленост

Ензимните препарати от Aspergillus oryzae се използват в пивоварната промишленост, докато ензимите от A.niger се използват при производството и избистрянето на плодови сокове и лимонена киселина. Печенето на печива се подобрява чрез използването на ензими A.oryzae и A.awamori. Бактериалните ензими (Bac.subtilis) се използват за запазване свежестта на сладкарските изделия и там, където е нежелателно дълбокото разграждане на белтъчните вещества. Използването на ензимни препарати от Bac.subtilis в сладкарската и хлебната промишленост подобрява качеството и забавя процеса на застояване на продуктите.

Микроорганизмите се използват широко в хранително-вкусовата и ферментационната промишленост. Млечната мая се използва широко в млечната промишленост. С тяхна помощ пригответе кумис, кефир. Ензимите на тези микроорганизми разграждат млечната захар до алкохол и въглероден диоксид, в резултат на което вкусът на продукта се подобрява и усвояемостта му от организма се повишава. При получаването на млечнокисели продукти в млечната промишленост широко се използва мая, която не ферментира млечната захар и не разлага протеините и мазнините. Те допринасят за запазването на маслото и повишават жизнеспособността на млечнокисели бактерии. Филмовата мая (микодерма) допринася за зреенето на млечнокисели сирена. Гъбите Penicillum roqueforti се използват в производството на сирене Roquefort, а гъбите Penicillum camemberi се използват в процеса на зреене на снакс сирене.

4. Микроорганизми в селското стопанство

5. Други свойства на микроорганизмите в биотехнологиите

Микроорганизмите могат да се използват и при извличането на въглища от руди. Литотрофните бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляват железен сулфат до железен сулфат. Сулфатният оксид на желязото от своя страна окислява четиривалентния уран, в резултат на което уранът под формата на сулфатни комплекси се утаява в разтвор. Уранът се извлича от разтвор чрез хидрометалургични методи. В допълнение към урана, други метали, включително злато, могат да бъдат излужени от разтвори. Бактериалното излугване на метали поради окисляването на сулфидите, съдържащи се в рудата, прави възможно извличането на метали от лошо балансирани руди.

Микроорганизмите могат да се използват не само за производство на газообразни горива, но и за увеличаване на производството на нефт. Микроорганизмите могат да образуват повърхностно активни вещества, които намаляват повърхностното напрежение на границата между маслото и водата, която го измества. Изместващите свойства на водата се увеличават с увеличаване на вискозитета, което се постига чрез използването на бактериална слуз, състояща се от полизахариди. Със съществуващите методи за разработване на нефтени находища се извличат не повече от половината от геоложките петролни запаси. С помощта на микроорганизми е възможно да се осигури измиването на нефт от резервоарите и освобождаването му от нефтени шисти. Бактериите, окисляващи метан, поставени в масления слой, разлагат маслото и допринасят за образуването на газове (метан, водород, азот) и въглероден диоксид. Тъй като газовете се натрупват, тяхното налягане върху маслото се увеличава и освен това маслото става по-малко вискозно. В резултат на това петролът от кладенеца започва да избликва.

Внасянето на излишни антропогенни вещества води до нарушаване на установения природен баланс. В началните етапи от развитието на индустрията беше достатъчно да се разпръснат замърсителите във водни течения, от които те бяха отстранени чрез естествено самопречистване. Газообразните вещества бяха разпръснати във въздуха през високи тръби. В днешно време изхвърлянето на отпадъци се превърна в много сериозен проблем.

В пречиствателните системи при пречистване на вода от органични вещества се използва биологичен метод, използващ система от смесена микрофлора (аеробни бактерии, водорасли, протозои, бактериофаги, гъби), активна утайка, биофилм, окисляващи входящи вещества. Представителите на микробната смес допринасят за интензифицирането на естествените процеси на пречистване на водата. Но в същото време трябва да се помни, че постоянството на състава на околната среда служи като условие за стабилната работа на микробната общност.

6. Избор на биотехнологични обекти

микробиологична метаногенеза органична

Неразделен компонент в процеса на създаване на най-ценните и активни производители, т.е. при избора на обекти в биотехнологиите, е техният избор. Основният начин на селекция е съзнателното конструиране на геноми на всеки етап от селекцията на желания производител. Тази ситуация не винаги може да бъде реализирана поради липсата на ефективни методи за промяна на геномите на избрани организми. Важна роля в развитието на микробните технологии изиграха методи, базирани на селекцията на спонтанно възникващи променени варианти, характеризиращи се с желаните полезни свойства. При такива методи обикновено се използва поетапна селекция: на всеки етап от селекцията от популацията на микроорганизмите се избират най-активните варианти (спонтанни мутанти), от които на следващия етап се избират нови, по-ефективни щамове и т.н. Въпреки очевидното ограничение на този метод, което се състои в ниската честота на поява на мутанти, е твърде рано да се считат неговите възможности за напълно изчерпани.

Селектирани щамове на естествения хиперсинтетичен каротин на гъбата Blakeslee trispora се използват в промишленото производство на каротин, който е важен в процесите на растеж и развитие на животните, повишавайки устойчивостта им към заболявания. Избрани щамове на Trichoderma viride се използват в промишленото производство на препарат триходермин, базиран на тях, за борба с фитопатогенните гъбички, особено при отглеждане на растения в оранжерийни условия (фузариум по краставици, заболявания на цъфтящи растения). Фосфобактеринът, получен от Baccilus megathrtium, е ефективно средство за увеличаване на добива на кръмно цвекло, зеле, картофи и царевица. Под въздействието на това лекарство се увеличава съдържанието на разтворим фосфор в ризосферната почва, както и фосфор и азот в зелената маса.

Хоствано на Allbest.ru

Подобни документи

Промишлена употреба на биологични процеси, базирани на микроорганизми, клетъчни култури, тъкани и техните части. Историята на възникването и етапите на формиране на биотехнологията. Основни направления, задачи и методи: клониране, генно и клетъчно инженерство.

презентация, добавена на 22.10.2016 г

Основни задачи, раздели и направления на съвременната биотехнология. Производство на продукти и биологично активни съединения, необходими на човека с помощта на живи организми. Изследване на генетично, клетъчно и биологично инженерство. Обекти на биотехнологията.

презентация, добавена на 03/06/2014

Характеристики на използването на въглеводородно-окисляващи микроорганизми за решаване на екологични проблеми. Съвременни методи за борба със замърсяването на водата и почвата с нефт. Трансформации, извършвани от спори на гъби и актиномицети. Кооксидация и кометаболизъм.

курсова работа, добавена на 02.01.2012 г

Микроорганизмите са малки организми, които могат да се видят само под микроскоп. Начини за генна рекомбинация. Механизмът на селекция на микроорганизмите. Технология на генен синтез по изкуствен път и въвеждане в бактериалния геном. Приложни отрасли на биотехнологиите.

презентация, добавена на 22.01.2012 г

Водораслите като компоненти на бактериални торове и като биологични индикатори. витамини, които съдържат. Използването на водорасли за биологично пречистване на отпадъчни води. Използването им като хранителни добавки. Производство на биогориво от водорасли.

презентация, добавена на 02.02.2017 г

Физиологични и биохимични особености на халофилните микроорганизми. Халофилни микроорганизми и тяхното приложение в промишлеността. Изолиране на халофилни микроорганизми от водни проби на Мраморно езеро, определяне на тяхното изобилие. Резултати от изследванията.

курсова работа, добавена на 06/05/2009

Същността и оценката на влиянието на различни фактори на околната среда върху микроорганизмите: физични, химични и микробиологични. Значението на микроорганизмите в производството на сирене, разработването на подходящи процеси при производството на крайния продукт, етапите на зреене.

резюме, добавено на 22.06.2014 г

Преглед на методите за размножаване на бактерии, актиномицети, дрожди, плесени. Влияние на лъчистата енергия и антисептиците върху развитието на микроорганизмите. Ролята на хранителните продукти за възникване на хранителни заболявания, източници на инфекция, превантивни мерки.

тест, добавен на 24.01.2012 г

Микрофлора на готови лекарствени форми. Обекти на санитарно-бактериологично изследване в аптеките. Определяне на микробно замърсяване на растителни лекарствени суровини. Микробно замърсяване на лекарства. Дефиниция на патогенни микроорганизми.

презентация, добавена на 03/06/2016

Проучване на способността на някои микроорганизми да разрушават мастни вещества от различен химичен характер. Изследване на морфологичните, културните и физиологичните свойства на местните микроорганизми, анализ и характеристики на тяхната разрушителна дейност.

Микроорганизмите се използват широко в хранително-вкусовата промишленост, домакинството, микробиологичната промишленост за получаване на аминокиселини, ензими, органични киселини, витамини и др. Класическите микробиологични индустрии включват винопроизводство, пивоварство, производство на хляб, млечнокисели продукти и хранителен оцет. Например винопроизводството, пивоварството и производството на тесто с мая са невъзможни без използването на мая, която е широко разпространена в природата.

Историята на индустриалното производство на дрожди започва в Холандия, където през 1870 г. е основана първата фабрика за дрожди. Основният продукт беше пресована мая с влажност около 70%, която можеше да се съхранява само няколко седмици. Дългосрочното съхранение беше невъзможно, тъй като клетките на пресованите дрожди останаха живи и запазиха своята активност, което доведе до тяхната автолиза и смърт. Сушенето се е превърнало в един от методите за индустриално консервиране на мая. В сухата мая при ниска влажност клетката на дрождите е в анабиотично състояние и може да се запази дълго време. Първата суха мая се появява през 1945 г. През 1972 г. се появява второто поколение суха мая, така наречената инстантна мая. От средата на 90-те години се появи трето поколение суха мая: хлебна мая. Saccharomyces cerevisiae,които комбинират предимствата на инстантната мая с високо концентриран комплекс от специализирани ензими за печене в един продукт. Тази мая позволява не само да се подобри качеството на хляба, но и активно да се противопостави на процеса на застояване.

хлебна мая Saccharomyces cerevisiaeсе използват и при производството на етилов алкохол.

Винопроизводството използва много различни щамове дрожди, за да произведе уникална марка вино с уникални качества.

Млечнокиселите бактерии участват в приготвянето на храни като кисело зеле, кисели краставички, мариновани маслини и много други кисели храни.

Млечнокиселите бактерии превръщат захарта в млечна киселина, която предпазва храната от гнилостни бактерии.

С помощта на млечнокисели бактерии се приготвя голям асортимент от млечнокисели продукти, извара и сирене.

Много микроорганизми обаче играят отрицателна роля в човешкия живот, като са патогени на болести по хора, животни и растения; те могат да причинят разваляне на хранителни продукти, разрушаване на различни материали и др.

За борба с такива микроорганизми са открити антибиотици - пеницилин, стрептомицин, грамицидин и др., Които са метаболитни продукти на гъбички, бактерии и актиномицети.

Микроорганизмите осигуряват на човека необходимите ензими. Така амилазата се използва в хранително-вкусовата, текстилната и хартиената промишленост. Протеазата причинява разграждането на протеини в различни материали. На Изток гъбената протеаза се използва от векове за направата на соев сос. В момента се използва в производството на перилни препарати. При консервиране на плодови сокове се използва ензим като пектиназа.

Микроорганизмите се използват за пречистване на отпадъчни води, обработка на отпадъци от хранително-вкусовата промишленост. Анаеробното разграждане на отпадъчната органична материя произвежда биогаз.

През последните години се появиха нови продукции. Каротеноидите и стероидите се получават от гъбите.

Бактериите синтезират много аминокиселини, нуклеотиди и други реактиви за биохимични изследвания.

Микробиологията е бързо развиваща се наука, постиженията на която до голяма степен са свързани с развитието на физиката, химията, биохимията, молекулярната биология и др.

За успешно изучаване на микробиология са необходими познания по изброените науки.

Този курс се фокусира върху хранителната микробиология. Много микроорганизми живеят на повърхността на тялото, в червата на хората и животните, върху растенията, върху храната и върху всички предмети около нас. Микроорганизмите консумират голямо разнообразие от храни, изключително лесно се адаптират към променящите се условия на живот: топлина, студ, липса на влага и др. Те се размножават много бързо. Без познаване на микробиологията е невъзможно компетентно и ефективно да се управляват биотехнологичните процеси, да се поддържа високо качество на хранителните продукти на всички етапи от тяхното производство и да се предотврати консумацията на продукти, съдържащи патогени на хранителни заболявания и отравяния.

Трябва да се подчертае, че микробиологичните изследвания на хранителните продукти не само от гледна точка на технологичните характеристики, но и, не по-малко важно, от гледна точка на тяхната санитарна и микробиологична безопасност, са най-трудният обект на санитарната микробиология. Това се обяснява не само с разнообразието и изобилието на микрофлора в хранителните продукти, но и с използването на микроорганизми в производството на много от тях.

В тази връзка при микробиологичния анализ на качеството и безопасността на храните трябва да се разграничат две групи микроорганизми:

- специфична микрофлора;

- неспецифична микрофлора.

специфичен- Това са културни раси от микроорганизми, които се използват за приготвяне на определен продукт и са незаменима връзка в технологията на неговото производство.

Такава микрофлора се използва в технологията за получаване на вино, бира, хляб и всички ферментирали млечни продукти.

НеспецифичниТова са микроорганизми, които попадат в храната от околната среда, замърсявайки ги. Сред тази група микроорганизми се разграничават сапрофитни, патогенни и условно патогенни, както и микроорганизми, които причиняват разваляне на продуктите.

Степента на замърсяване зависи от много фактори, които включват правилното доставяне на суровини, тяхното съхранение и обработка, спазване на технологичните и санитарни условия за производство на продукти, тяхното съхранение и транспортиране.

От повече от 100 хиляди известни микроорганизми, само няколкостотин вида се използват в промишлеността, тъй като индустриалният щам трябва да отговаря на редица строги изисквания:

1) растат на евтини субстрати;

2) имат висок темп на растеж или дават висок добив на продукт за кратко време;

3) показват синтетична активност към желания продукт; образуването на странични продукти трябва да е ниско;

4) да са стабилни по отношение на производителността и изискванията на условията на отглеждане;

5) да са устойчиви на фаги и други видове инфекции;

6) да са безвредни за хората и околната среда;

7) желателни са термофилни, ацидофилни (или алкофилни) щамове, тъй като с тях е по-лесно да се поддържа стерилност в производството;

8) анаеробните щамове представляват интерес, тъй като аеробните щамове създават трудности при култивирането - изискват аериране;

9) полученият продукт трябва да има икономическа стойност и лесно да се изолира.

В практиката се използват щамове от четири групи микроорганизми:

- мая;

- нишковидни гъби (плесени);

– бактерии;

- аскомицети.

Терминът "дрожди" в строгия смисъл на думата няма таксономично значение. Това са едноклетъчни еукариоти, принадлежащи към три класа: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Аскомицетите включват преди всичко Saccharomyces cerevisiae, някои щамове от които се използват в пивоварството, винопроизводството, производството на хляб и етилов алкохол.

Ascomycetes Saccharomyces lipolytica разграждат маслените въглеводороди и се използват за получаване на протеинова маса.

Deuteromycete Candida utilis се използва като източник на протеини и витамини и се отглежда върху нехранителни суровини: сулфитни течности, дървесни хидролизати и течни въглеводороди.

Deuteromycete Trichosporon cutaneum окислява много органични съединения, включително токсични (например фенол), и се използва за пречистване на отпадъчни води.

Използване на мицелни гъби:

– при получаване на органични киселини: лимонена (Aspergillus niger), глюконова (Aspergillus niger), итаконова (Aspergillus terreus), фурмарова (Rhizopus chrysogenum);

- при получаване на антибиотици (пеницилин и цефалоспорин);

– при производството на специални видове сирена: Камамбер (Penicillium camamberti), Рокфор (Penicillium roqueforti);

- предизвикват хидролиза в твърди среди: в оризовото нишесте при получаване на саке, в соевите зърна при получаване на темпе, мисо.

Полезните бактерии се наричат еубактерии.

Млечнокисели бактерии от родовете Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus отдавна се използват промишлено.

Оцетнокиселите бактерии от родовете Acetobater, Gluconobacter превръщат етанола в оцетна киселина.

Бактериите от рода Bacillus се използват за производство на токсини, които са вредни за насекомите, както и за синтезиране на антибиотици и аминокиселини.

Бактериите от род Corynebacterium се използват за производство на аминокиселини.

От актиномицетите най-представителни са родовете Streptomyces и Micromonospora, които се използват като продуценти на антибиотици. При растеж върху твърда среда актиномицетите образуват тънък мицел с въздушни хифи, които се диференцират във вериги от конидиоспори.

В момента с помощта на микроорганизми се синтезират следните съединения:

- алкалоиди,

- аминокиселини,

- антибиотици,

- антиметаболити,

– антиоксиданти,

- протеини,

- витамини,

- хербициди,

– ензимни инхибитори,

- инсектициди,

- йонофори,

- коензими

- липиди,

- нуклеинова киселина,

- нуклеотиди и нуклеозиди

- оксиданти,

- органични киселини

- пигменти,

- повърхностноактивни вещества,

- полизахариди,

- антихелминтни средства,

– противоракови агенти,

- разтворители,

- хормони на растежа на растенията

- захар,

- стероли и преобразувани вещества,

– транспортни фактори на желязо,

- фармацевтични вещества

- ензими

- емулгатори.

2 ПРОИЗВОДСТВО НА ЕДНОКЛЕТЪЧНИ ПРОТЕИНИ

ОРГАНИЗМИ

2.1 Възможността за използване на микроорганизми за

производство на протеини

В съответствие с нормите на хранене, човек трябва да получава от 60 до 120 g пълноценен протеин дневно с храната.

За поддържане на жизнените функции на организма, изграждане на клетки и тъкани, е необходим постоянен синтез на различни протеинови съединения. Ако растенията и повечето микроорганизми са способни да синтезират всички аминокиселини от въглероден диоксид, вода, амоняк и минерални соли, то хората и животните не могат да синтезират някои аминокиселини (валин, левцин, изолевцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин). Тези аминокиселини се наричат незаменими. Те трябва да идват от храната. Недостигът им причинява тежки заболявания при хората и намалява продуктивността на селскостопанските животни.

В момента световният протеинов дефицит е около 15 милиона тона. Най-обещаващият микробиологичен синтез. Ако за говеда са необходими 2 месеца за удвояване на протеиновата маса, за прасета - 1,5 месеца, за пилета - 1 месец, то за бактерии и дрожди - от 1 до 6 часа. Световното производство на хранителни протеинови продукти, дължащо се на микробен синтез, е повече от 15 хиляди тона годишно.

Помислете за пример: времето за удвояване на Escherichia coli е 20 минути, след това след 20 минути от една клетка се образуват две дъщерни клетки, след 40 минути - четири "внучки", след 60 минути - осем "правнучки", след 80 минути - 16 "пра-правнучки". След 10 часа и 40 минути от една бактерия ще се образуват повече от 6 милиарда бактерии, което отговаря на населението на Земята, а след 44 часа от една бактерия с тегло 1 10 -12 g ще се образува биомаса в количество от 6 10 24 g, което съответства на масата на Земята.

Използването на различни микроорганизми като източници на протеини и витамини се дължи на следните фактори:

А) възможността за използване на различни химични съединения за култивиране на микроорганизми, включително производствени отпадъци;

Б) сравнително проста технология за производство на микроорганизми, която може да се извършва през цялата година; възможността за неговата автоматизация;

В) високо съдържание на протеини (до 60...70%) и витамини, както и въглехидрати, липиди в микробните препарати;

Г) високо съдържание на незаменими аминокиселини в сравнение с растителните протеини;

Д) възможността за насочено генетично въздействие върху химичния състав на микроорганизмите с цел подобряване на протеиновата и витаминната стойност на продукта.

За промишленото производство на хранителни продукти на базата на микроорганизми са необходими задълбочени биомедицински изследвания. Такива продукти трябва да бъдат подложени на цялостни тестове за идентифициране на канцерогенни, мутагенни, ембриотропни ефекти върху хора и животни. Токсикологичните изследвания, смилаемостта на продуктите от микробния синтез са основните критерии за целесъобразността на технологията на тяхното производство.

За производството на протеини се използват дрожди, бактерии, водорасли и нишковидни гъби.

Предимството на дрождите пред другите микроорганизми е тяхната технологичност: устойчивост на инфекции, лекота на отделяне от средата поради големия размер на клетките. Те са в състояние да натрупат до 60% протеин, богат на лизин, треонин, валин и левцин (тези аминокиселини са оскъдни в растителните храни). Масовата част на нуклеиновите киселини е до 10%, което има вредно въздействие върху организма. В резултат на тяхната хидролиза се образуват много пуринови основи, които след това се превръщат в пикочна киселина и нейните соли, които са причина за уролитиаза, остеохондроза и други заболявания. Оптималната норма на добавяне на маса на дрожди към храната на селскостопанските животни е от 5 до 10% сухо вещество. Маята се използва за хранителни и фуражни цели.

Предимствата на бактериите са високата скорост на растеж и способността да синтезират до 80% от протеина. Полученият протеин съдържа много дефицитни аминокиселини: метионин и цистеин. Недостатъците са малкият размер на клетките и ниската им концентрация в хранителната среда, което усложнява процеса на изолиране. Някои бактериални липиди могат да съдържат токсини. Масова фракция на нуклеиновите киселини до 16%. Използва се само за фуражни цели.

Предимствата на водораслите са високото съдържание на пълноценен по аминокиселинен състав протеин, натрупващ се в количество от 65%, лесно изолиране на водораслите от хранителната среда, ниско съдържание на нуклеинови киселини - 4% (за сравнение - във висшите растения 1 ... 2%). Водораслите се използват за хранителни и фуражни цели.

Мускулните гъби традиционно се използват като хранителен продукт в африканските страни, в Индия, Индонезия, Китай и др. Те натрупват до 50% протеин, който по аминокиселинен състав се доближава до протеина от животински произход, богати са на Витамини от група В. Клетъчните стени са тънки и лесно се усвояват в стомашно-чревния тракт.чревния тракт на животните. Масовата част на нуклеиновите киселини е 2,5%.

От 1985 г. микробният протеин се използва в хранително-вкусовата промишленост за производството на различни продукти и полуфабрикати.

Разглеждат се три основни приложения на микробния протеин в производството на храни:

1) цялата маса (без разрушаване на клетъчните стени);

2) частично пречистена биомаса (предвидено е разрушаване на клетъчните стени и отстраняване на нежелани компоненти);

3) протеини, изолирани от биомаса (изолати).

СЗО (Световната здравна организация) заключи, че протеинът на микроорганизмите може да се използва в храната, но допустимото количество нуклеинови киселини, въведено с протеина в диетата на възрастен, не трябва да надвишава 2 g на ден. Въвеждането на микробен протеин не предизвиква негативни последици, но възникват алергични реакции, стомашни заболявания и др.

Категории

Избор на редакторите