Глава 5. Промышленная микробиология

5.1. ПРОИЗВОДСТВО ПЕРВИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

Первичные метаболиты - низкомолекулярные соединения, не­обходимые для роста микробов: одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие - участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности первичных метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды и витамины.

5.1.1. Производство аминокислот

Производство аминокислот в мире постоянно растет и в настоя­щее время составляет около 400 тыс. тонн/год, хотя потребность в них оценивается гораздо выше.

Как уже отмечалось, недостаток в рационе аминокислот (особен­но, незаменимых) отрицательно сказывается на росте и развитии. Так, добавка к кормам животных нескольких долей % дефицитной кислоты может повысить кормовую ценность белка более чем в два раза.

Из всех возможных способов получения аминокислот (химиче­ским путем, микробиологическим и др.) предпочтение отдается микро­биологическому: хотя организацию микробного производства нельзя назвать простой, ее преимущество состоит в синтезе оптически чистых (L-аминокислот), тогда как при химическом синтезе получается ра­цемическая смесь L- и D-аминокислот, которую трудно разделить.

Микробный синтез аминокислот основан на культивировании строго определенного продуцента целевой кислоты в среде заданного состава при строго определенных параметрах ферментации. Продуцен­тами являются штаммы бактерий, полученные мутантной селекцией или с помощью методов генной инженерии. Бактерии-мутанты, с одной сто­роны, утратили способность самостоятельно синтезировать некоторые вещества, а с другой стороны, приобрели способность к сверхсинтезу целевой аминокислоты. Уже к 70-м годам прошлого века были получе­ны микробы-суперпродуценты из родов Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus и др. с помощью которых возможно производить все из­вестные аминокислоты. В настоящее время имеются суперпродуценты, у которых количество синтезируемого специфического белка достигает 10-50 % (здесь важнейшую роль играют многокопийные плазмиды, не­сущие встроенные гены).

Технология получения аминокислот базируется на принципах ферментации продуцентов и выделения первичных метаболитов, т. е. размножают маточную культуру вначале на агаризованной среде в про­
бирках, затем - на жидкой среде в колбах, инокуляторах и посевных ап­паратах, а затем - в основных ферментаторах.

Если аминокислота предусмотрена в качестве добавки к кормам, то биотехнологический процесс кормового продукта включает следую­щие стадии: ферментацию, стабилизацию аминокислоты в культураль- ной жидкости перед упариванием, вакуум-упаривание, стандартизацию упаренного раствора при добавлении наполнителя, высушивание и упа­ковку готового продукта, в котором должно содержаться не более 10 % основного вещества. Если же аминокислота используется в качестве ле­карственного препарата, в этом случае получают изолированные чистые кристаллы, которые высушивают под вакуумом и упаковывают.

Известны два способа получения аминокислот: одноступенчатый и двухступенчатый. Согласно первому способу, например, мутантный ауксотрофный штамм - продуцент аминокислоты - культивируют на оп­тимальной для биоситеза среде. Целевой продукт накапливается в куль- туральной жидкости, из которой его выделяют согласно определенной технологической схеме.

В двухступенчатом способе микроб-продуцент культивируют в среде, где он получает и синтезирует все необходимые ингредиенты для последующего синтеза целевого продукта. Схема двухступенчатого процесса может быть представлена в следующем виде:

Микроб - продуцент аминокислоты

культивирование в жидкой питательной среде

I ступень

Биосинтез предшественников аминокислоты и ферментов, катализирующих биосинтез целевого продукта

Биосинтез целевого продукта с участием ферментов