Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как противостоять манипуляциям мужчин? Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?

Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника







Основные этапы промышленного получения антибиотиков





После установления высоких лечебных свойств первого антибио­тика - пенициллина сразу же возникли задачи организации его произ­водства в больших количествах. На первом этапе промышленное полу­чение этого препарата носило примитивный, экономически нерента­бельный характер. Выращивание продуцента антибиотика осуществля­лось на средах, находящихся в небольших сосудах, при поверхностном культивировании гриба. Процесс развития гриба продолжался 8-10 су­ток. Такой способ культивирования гриба при большой затрате труда да­вал весьма низкий выход антибиотика, и себестоимость препарата была соответственно очень высокой. В результате поисков путей наиболее ра­ционального способа производства антибиотика был предложен метод глубинного выращивания гриба в специальных емкостях- ферментаторах при продувании воздуха и перемешивании культураль­ной жидкости.

Современное промышленное получение антибиотиков - это сложная многоступенчатая биотехнологическая схема, состоящая из ря­да последовательных стадий:

1. Стадии биосинтеза (образования) антибиотика. Это основная биологическая стадия сложного процесса получения антибиотического вещества. Главная задача на этой стадии - создание оптимальных усло­вий для развития продуцента и максимально возможного биосинтеза антибиотика.

Высокая результативность стадии зависит от уровня биосинтети­ческой активности продуцента антибиотика, времени его максимального накопления, стоимости сред для культивирования организма, в том чис­ле стоимости применяемых предшественников, а также общих энерге­тических затрат на процессы, связанные с развитием продуцента анти­биотического вещества.

2. Стадии предварительной обработки культуральной жидкости, клеток (мицелия) микроорганизма и фильтрации (отделение культу- ральной жидкости от биомассы продуцента). Эффективность стадии во многом определяется составом среды для выращивания продуцента ан­тибиотика, характером его роста, местом основного накопления биоло­гически активного вещества (в культуральной жидкости или внутрикле- точно).

3. Стадияи выделения и очистки антибиотика. На этой стадии, в зависимости от свойств антибиотика, его химического строения и ос­новного места накопления антибиотического вещества, применяют раз­личные методы выделения и очистки. В качестве основных методов ис­пользуются экстрация, осаждение, сорбция на ионообменных материа­лах, упаривание, сушка.

Особенность этой технологической стадии определяется тем, что на первой стадии работы имеют дело с небольшой концентрацией (~1 %) антибиотика в обрабатываемом растворе, тогда как на последующих этапах его концентрация увеличивается до 20-30 %. Все это требует применения различных емкостей и объемов используемых реагентов.

4. Стадии получения готовой продукции, изготовления лекар­ственных форм, расфасовки. Особенность стадии определяется очень высоким требованиям к качеству конечного продукта. В случае выпуска антибиотиков, предназначенных для инъекций, препараты должны быть стерильными; получение таких антибиотических препаратов, приготов­ление различных лекарственных форм, дозировка (расфасовка) и упа­ковка должны осуществляться в асептических условиях.

Для максимального выхода антибиотика при культивировании продуцента используют комплекс мер, включающих подбор наиболее благоприятных для этих целей питательных сред и режимов культиви­рования организма. Весь этот комплекс мер включается в понятие «управляемый биосинтез».

В промышленных условиях управляемый биосинтез требует стро­гого соблюдения технологического процесса как на стадии подготовки инокулята, так и на стадии биосинтеза. На стадии подготовки инокулята особое внимание обращают на состав среды, на которой выращивается организм, на возраст клеток или мицелия. На стадии биосинтеза, кроме состава среды, большую роль играют скорость потребления тех или иных компонентов, предшественники, регуляция процесса аэрации культуры, поддержание соответствующих температуры и рН среды и других показателей режима культивирования.

В современных условиях производства принимают меры к макси­мальному снижению себестоимости препаратов путем интенсификации всех стадий технологического процесса и, прежде всего, повышением эффективности первой стадии - биосинтеза антибиотического вещества. Для этого необходимо:

а) внедрение в производство наиболее высокопродуктивных штаммов микроорганизмов - продуцентов антибиотиков;

б) создание и обеспечение самых благоприятных условий разви­тия продуцента антибиотика на относительно дешевых средах;

в) широкое использование математических методов планирования процесса развития организма и электронно-вычислительной техники с целью оптимизации и моделирования условий его культивирования, обеспечивающих максимальный выход антибиотика;

г) применение современного оборудования на всех стадиях техно­логического процесса с автоматизированными контролирующими устройствами основных параметров развития организма и стадий био­синтеза антибиотика.

Методы культивирования продуцентов антибиотиков

В современных условиях наиболее перспективным методом вы­ращивания микроорганизмов-продуцентов антибиотиков признан метод глубинного культивирования. Метод состоит в том, что микроорганизм развивается в толще жидкой питательной среды, через которую непре­рывно подается стерильный воздух, и среда перемешивается.

Существует четыре основных модификации глубинного способа выращивания микроорганизмов.

1. Периодическое культивирование. При этом способе весь про­цесс развития микроорганизмов полностью завершается в одном фер­ментаторе, после чего ферментатор освобождается от культуральной жидкости, тщательно промывается, стерилизуется и вновь заполняется свежей питательной средой. Среда засевается изучаемым микроорга­низмом, и процесс возобновляется.

2. Отъемный метод. Культивирование микроорганизмов осу­ществляется в ферментаторах с периодическим отбором части объема культуральной жидкости в ферментаторе и доводится свежей питатель­ной средой до исходного уровня.

3. Батарейный способ. Микроорганизмы развиваются в ряду по­следовательно соединенных ферментаторов. Культуральная жидкость на определенной стадии развития микроорганизма перекачивается из пер­вого ферментатора во второй, затем из второго в третий и т. д. Освобож­денный ферментатор немедленно заполняется свежей питательной сре­дой, засеянной микроорганизмом. При этом способе выращивания мик­роорганизмов емкости используются более рационально.

4. Непрерывное культивирование. В основе метода лежит прин­цип непрерывного протока питательной среды, что позволяет поддер­живать развитие микроорганизма на определенной стадии его роста. Стадия развития микроорганизма определяется тем, что в этот период происходит максимальный биосинтез антибиотика или другого биоло­гически активного соединения.

Установлено, что в условиях непрерывного процесса биосинтеза некоторых антибиотиков можно получить хорошие результаты, если процесс вести в две стадии. В первом аппарате батареи поддерживают высокую скорость потока, обеспечивающую большую скорость роста продуцента антибиотика, с тем, чтобы получить высокоактивную био­массу, а во втором аппарате - обеспечивают низкую скорость потока и соответственно небольшую скорость роста. Процесс непрерывного культивирования - перспективное направление современной биотехно­логии.

Стерилизация питательных сред

Для каждого продуцента антибиотика разрабатывается оптималь­ная питательная среда. Среда должна соответствовать определенным требованиям:

а) обеспечивать максимальный выход антибиотика;

б) состоять из относительно дешевых компонентов;

в) иметь хорошую фильтрующую способность;

г) обеспечивать применение наиболее экономичных приемов вы­деления и очистки антибиотиков.

Стерилизация питательных сред в промышленных условиях осу­ществляется двумя методами: периодическим и непрерывным.

Периодический метод стерилизации применяется при использова­нии небольших объемов среды и состоит в том, что среда нагревается до температуры 120-130 оС непосредственно в ферментаторах или в специ­альных котлах-стерилизаторах, выдерживается при этой температуре в течение 30-60 минут (в зависимости от объема среды и ее состава), по­сле чего охлаждается до 27-30 оС.

За время, затрачиваемое на нагрев среды до температуры, необхо­димой для стерилизации, и ее охлаждение, уничтожается значительное число микроорганизмов. Эффект стерилизации и сохранение термола­бильных веществ достигаются в том случае, если стерилизацию прово­дят при более высокой температуре и за более короткое время.

Непрерывный метод стерилизации целесообразно применять при использовании больших объемов среды. Приготовленная среда из спе­циального сосуда с помощью насоса подается в стерилизационную ко­лонну, через которую пропускают острый пар (давление пара около 505 Па). Пар подают сверху по внутренней трубе, имеющей щелевидные прорези, благодаря чему он поступает в среду, быстро ее нагревая. Сре­да в колонну подается снизу и движется по спирали вокруг внутренней трубы.

Среда, нагретая в колонне до необходимой для стерилизации тем­пературы (~130 оС), поступает в специальный аппарат, где она выдержи­вается определенное время при температуре 125-130 оС. Время выдерж­ки зависит от состава среды и длится 5-10 минут. Отсюда стерильная среда поступает в змеевиковый холодильник, охлаждается до 30-35 оС (на выходе) и поступает в ферментатор.

Непрерывный метод стерилизации имеет ряд преимуществ: воз­можность автоматического регулирования процесса, быстрый и равно­мерный нагрев среды, обеспечение более полной стерильности среды и др.

Подготовка посевного материала

Подготовка посевного материала - одна из ответственейших опе­раций в цикле биотехнологического способа получения антибиотиков. От количества и качества посевного материала зависит как развитие культуры в ферментаторе, так и биосинтез антибиотика. Продуцент обычно выращивают на богатых по составу натуральных средах, спо­собных обеспечить наивысшую физиологическую активность микроор­ганизмов. Подготовка посевного материала - процесс многоступенча­тый (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема многоступенчатого приготовления посевного материа­ла А - выращивание во флаконах, Б - в колбах на качалках: 1 - законсервированный исходный материал; 2 - споровая генерация на ко­сом агаре в пробирке; 3 - II споровая генерация на твердой среде в сосуде; 3 а и 3б - I и III генерации на жидкой среде в колбе; 4 - ферментатор предварительного ино- кулирования; 5 - ферментатор инокулирования; 6 - основной ферментатор

 

Микроорганизм предварительно выращивают на агаризованной среде в пробирке (1, 2), затем из пробирки делают высев в колбы с жид­кой питательной средой и проводят две генерации при глубинном вы­ращивании на качалках в течение двух-трех суток для каждой генерации (3а и 3б). Из второй генерации культуры в колбе делают посев в не­большой (10 л) инокулятор 4, после чего хорошо развившуюся культуру переносят в более крупный инокулятор 5 (100-500 л), откуда и делают посев в основной ферментатор 6. Для посева в основной ферментатор используют от 5 до 10 % посевного материала (инокулята).

Развитие продуцента антибиотика в ферментаторах

Развитие микроорганизма в ферментаторах проходит при строгом контроле всех его стадий и очень точном выполнении регламента усло­вий развития. Большое внимание уделяют поддержанию заданной тем­пературы культивирования, активной кислотности среды (рН), степени аэрации и скорости работы мешалки. В процессе развития организма осуществляют биологический контроль, учитывают потребление орга­низмом основных питательных компонентов субстрата (источника угле­рода, азота, фосфора), внимательно следят за образованием антибиоти­ка. В последнее время все чаще биологический контроль проводят с по­мощью ЭВМ.

Большое внимание при развитии продуцента в ферментаторах об­ращают на процесс пеногашения. При продувании воздуха через куль­туру микроорганизма образуется обильная пена, которая существенно нарушает процесс развития продуцента антибиотика в ферментаторе. Появление большого количества пены обусловлено белковыми веще­ствами, находящимися в среде, и ее высокой вязкостью, что связано с обильным накоплением биомассы.

Для борьбы с пеной в ферментаторах используют поверхностно- активные вещества: растительные масла (соевое, подсолнечное), живот­ный жир (лярд, кашалотовый жир), а иногда минеральные масла (вазе­линовое, парафиновое), спирты и высшие жирные кислоты. Нередко в качестве пеногасителей используют специально синтезированные веще­ства (силиконы, диазобутананкарбамил и др.).

Многие вещества (масла, жиры, спирты и др.), используемые в ка­честве пеногасителей, потребляются продуцентами антибиотиков как дополнительные источники углеродного питания. При этом часто наблюдается повышение выхода антибиотика. Однако внесение пенога- сителя может снижать скорость растворения кислорода, что, в свою оче­редь, отрицательно сказывается на развитии микроорганизма и его био­синтетической активности.

Иногда используются механические способы пеногашения (отса­сывание пены через специальные трубы, разрушение пузырьков пены сильными струями жидкости, пара или газа).

Общая схема производства антибиотиков до стадии выделения и химической очистки представлена на рис. 5.6.

Предварительная обработка культуральной жидкости, выделе­ние и химическая очистка антибиотиков

В процессе развития микроорганизмов образуемые им антибиоти­ки в большинстве случаев почти полностью выделяются из клеток в окружающую среду. Однако в ряде случаев в культуральную жидкость попадает лишь часть антибиотика, а другая часть сохраняется внутри клеток.

У ряда продуцентов антибиотик почти полностью содержится в клетках организма. В зависимости от того, где антибиотическое веще­ство сосредоточено, применяют соответствующие методы его извлече­ния. Так, если антибиотик находится в культуральной жидкости, его вы­деляют методами экстракции, используя для этого растворители, не смешивающиеся с жидкой фазой, осаждают в виде нерастворимого со­единения или сорбируют ионообменными смолами. Если антибиотик содержится в культуральной жидкости и в клетках продуцента, то сна­чала антибиотик переводят в фазу, из которой наиболее целесообразно его изолировать. Например, антибиотик, содержащийся в культуральной жидкости, и клетки с антибиотическим веществом переводят в осадок, из которого антибиотик экстрагируют.

и Рис. 5.6. Схема производства антибиотиков: I - приготовление посевного материала; II - инокуляторы для наращивания посевного материала; III - стерилизатор среды для большого ферментатора; IV - установка для биосинтеза антибиотика; а - стерилизация среды в колбах; б - охла­ждение и посев культуры продуцента в колбу; в - рост культуры в покое; г - рост культуры в качалке; д - инокулятор со стерильной средой; е - инокулятор со сре­дой, засеянной культурой продуцента; ж - фильтры и компрессор; з - резервуар со сжатым воздухом; и - нагрев воздуха; к - ферментатор; л - рубашка для охлаждения ферментатора

 

Отделение нативного раствора от биомассы и взвешенных частиц проводят методами фильтрации или центрифугирования.

Цель химической очистки - извлечение антибиотика из нативной жидкости или из клеток продуцента, его концентрация и освобождение (собственно, очистка) от сопутствующих примесей и в конечном счете получение высокоочищенного препарата, пригодного для соответству­ющего применения.

В ряде случаев антибиотические вещества под влиянием жестких внешних факторов (повышенной температуры, высокой кислотности или щелочности и др.) теряют свои свойства, инактивируются. Поэтому при их выделении и очистке необходимо соблюдать максимум осторож­ности.

Основные методы очистки антибиотиков следующие: экстракция, ионообменная сорбция и осаждение.

Сушка, контроль и расфасовка препарата

После выделения и химической очистки антибиотика его необхо­димо высушить, т. е. удалить из препарата свободную и связанную воду. Поскольку большинство антибиотиков в той или иной степени термола­бильны, для их высушивания применяют методы, не приводящие к по­тере биологической активности, не изменяющие цвета препарата. На со­временном этапе промышленного получения антибиотиков используют следующие методы обезвоживания. Это:

• Лиофильная сушка антибиотиков - широко распространен­ный метод, он проводится при сравнительно низких температурах (-8 - - 12 оС).

• Высушивание с применением распылительной сушилки - прогрессивный метод при работе с большими количествами антибиоти­ка, раствор антибиотика пневматически распыляется до мельчайших ка­пель в камере с потоком нагретого воздуха. Процесс высушивания анти­биотиков занимает несколько секунд, при этом даже термолабильные препараты не меняют свойств.

• Метод взвешенного слоя (или сушка в вакуум-сушильных шкафах) применяется для высушивания зернистых и пастообразных ан­тибиотических препаратов.

Контроль препарата. Готовый антибиотик подвергается тщатель­ному контролю: биологическому и фармакологическому.

При биологическом контроле ставится задача выяснения стериль­ности готового препарата. Для этого обычно используют два метода.

Первый связан с инактивацией антибиотика и высевом его в соот­ветствующую питательную среду. Например, биологический контроль бензилпенициллина и полусинтетических препаратов, полученных на его основе, проводится следующим образом. В пробирки, содержащие тиогликолевую среду, вносят фермент пенициллазу в количестве, спо­собном полностью инактивировать пенициллин. Пробирки с пеницилла- зой выдерживают двое-трое суток при температуре 37 оС для контроля стерильности фермента, затем в них вносят раствор пенициллина. Про­бирки разделяют на две группы: одну выдерживают при 37 оС, а другую - при 24 оС в течение пяти суток. Ведут ежедневное наблюдение за воз­можным развитием микроорганизмов.

Второй метод выяснения стерильности антибиотиков определяет­ся тем, что для большинства этих соединений не имеется инактиваторов их биологической активности. Поэтому у изучаемых препаратов выяв­ляют устойчивые к ним формы микроорганизмов, а также определяют возможное присутствие чувствительной микрофлоры. Для определения возможного присутствия в таких препаратах чувствительной к ним мик­рофлоры раствор антибиотика пропускают через мембранные фильтры с диаметром пор не более 0,75 мк.

Фармакологический контроль. К антибиотическим веществам, ис­пользуемых в медицинской практике, в соответствии с Государственной Фармакопеей предъявляются очень строгие требования. Каждый новый лекарственный препарат, прежде чем он будет разрешен к практическо­му применению, должен пройти всесторонние испытания на токсич­ность, пирогенность и другие свойства, жизненно важные для организ­ма. Препарат изучают на разных видах животных в отношении его острой и хронической токсичности (влияние на кровь, ЦНС, дыхание и т. д.). Показатели острой токсичности - один из критериев качества ан­тибиотического вещества. Устанавливают максимально переносимую дозу (МПД) антибиотика; дозу, вызывающую гибель 50 % подопытных животных (LD50) и смертельную дозу (LD100). Только после всесторон­него и тщательного изучения препарата он может быть рекомендован к практическому применению.

Расфасовка и упаковка антибиотика - завершающий этап работы. Расфасованный и упакованный антибиотик с указанием показателя био­логической активности, даты выпуска и срока годности поступает в продажу.

Обобщая весь многостадийный и многоступенчатый процесс по­лучения антибиотика, можно отметить, что он включает в себя четыре основные стадии:

I стадия - получение соответствующего штамма, продуцента ан- тибио-тика, пригодного для промышленного производства;

II стадия непосредственно связана с процессом биосинтеза анти­биотика;

III стадия - это процессы выделения и очистки образовавшегося в ходе биосинтеза антибиотика;

IV стадия включает в себя операции, связанные с концентрацией антибиотика, его стабилизацией и получением готового продукта.

Биотехнологический процесс получения антибиотиков можно представить в виде следующей схемы (см. рис. 5.7).

Производство пенициллинов

В 1871 г. В .А. Манасеиным было установлено, что зеленая пле­сень Penicillium glaucum при своем росте уничтожает бактерии, попа­дающие в культуральную среду. Это свойство Penicillium было тогда же использовано врачом А. Г. Полотебневым, применившим смоченные этой плесенью повязки при лечении гнойных ран и язв.

Выдающееся открытие русских ученых не получило широкой из­вестности, и в 1928 г. англичанин Александр Флеминг вторично обна­ружил способность плесневого грибка Penicillium угнетать рост микро­организмов. Было показано, что вызываемая плесенью гибель микробов обусловлена образованием неизвестного органического вещества, названного пенициллином.

Однако выделение пенициллина в чистом виде в то же время осу­ществлено не было, так как он оказался веществом очень лабильным, а применявшиеся методы очистки были несовершенны.

В годы Второй мировой войны огромная практическая потреб­ность в эффективных антибактериальных препаратах привлекла к пени­циллину внимание широкого круга специалистов, и примерно с 1939 г. начался период интенсивных исследований. Благодаря этому в относи­тельно короткий срок (3-5 лет) англичанами Х. Флори и А. Чэттеном были разработаны способы промышленного получения и очистки пени­циллина, изучены его лечебные свойства и методы клинического при­менения, а также установлена его химическая структура.

К пенициллинам относится группа близких по химическим свой­ствам соединений, содержащих в своей структуре b-лактамное и тиазо- лидиновые кольца:


 

R может иметь различные значения, в зависимости от типа пени­циллина. Например, при R = -CH2C6H5 - это бензилпенициллин; R = - СН2-О-С6Н5 - это феноксиметилпенициллин и т. д. Наличие кар­боксильной группы придает молекуле пенициллина сильные кислотные свойства, поэтому пенициллин легко образует соли со щелочами (Na,

K), а также с органическими основаниями, например с дибензилэтилен- диамином (препарат - бициллин).

Для практических целей медицины пенициллин получают в про­мышленности путем биосинтеза. Процесс биосинтеза складывается из следующих стадий: 1) выращивания посевного материала (микроорга­низмов) в аппаратах малой емкости - инокуляторах; 2) выращивания посевного материала в больших посевных аппаратах; 3) процесса фер­ментации; 4) выделения антибиотика из культуральной жидкости и его очистки.

Важное значение имеет также селекционный подбор высокопро­изводительных штаммов плесени, подготовка и стерилизация питатель­ной среды и аппаратуры.

Очень важное значение для высокого выхода пенициллина имеет питательная среда, примерный состав которой (в %) следующий:

Кукурузный настой - 3 (по объе­му) Сульфат цинка - следы
Лактоза (или глюкоза) - 2 (по ве­су) Карбонат кальция - 0,25
Нитрат натрия - 0,6 Магний сернокислый гептагидрат - 0,05
Калий фосфорнокислый (одноза- мещенный) - 0,15 Вода ~90
Вместо какурузного настоя успешно применяется мука из хлопко­вых семян или мясные гидролизаты.

 

Приготовленную питательную среду подвергают стерилизации. Процесс ведут в колоннах непрерывного действия. Далее питательная среда поступает в аппарат-выдерживатель, где охлаждается в течение определенного времени до температуры 23-25 оС.

Первая стадия процесса - выращивание стандартной колонии штаммов плесени Penicillium chrysogenum - проводится в инокуляторах на питательной среде, где процесс идет ~30 часов. Подготовленный инокулят передают в посевной аппарат, объем которого ~ в 10 раз больше объема инокулятора. В посевном аппарате находится также сте­рилизованная питательная среда. Процесс роста здесь идет ~15-20 ча­сов, и далее посевной материал передается на ферментацию в большие реакторы - ферментаторы объемом до 100 м на питательную среду. Процесс ферментации идет ~70 часов при температуре 23-24 оС, рН среды 6-6,5 и постоянной аэрации воздуха - 1 л воздуха/1 литр пита­тельной среды/1 мин по всему объему ферментатора.

Рис. 5.7. Схема производства антибиотиков в процессе микробного синтеза


Основная задача этого процесса - создание оптимальных условий для развития продуцента и накопления антибиотика. Биосинтез анти­биотика - двухфазный процесс. В течение первой фазы происходит быстрый рост и размножение мицелия или бактериальных клеток. Куль- туральная жидкость в этот период богата углеводами, азотом и неорга­ническим фосфором. Продукты обмена веществ микроорганизмов, в том числе и антибиотики, находятся в малых количествах.

Вторая фаза начинается с момента замедления роста культуры. Протекает она в культуральной жидкости, обогащенной продуктом жизнедеятельности организма с небольшим количеством углеводов и фосфора. В начале этой фазы мицелий обладает максимальной способ­ностью к синтезу антибиотика. Фазы отличаются характером и интен­сивностью биохимических реакций. С учетом этих различий подбирают условия, благоприятные для первой и второй фаз развития продуцента.

Для увеличения выхода антибиотика в питательную среду вводят «предшественники», т. е. химические вещества, способствующие целе­направленному синтезу антибиотика. Так, в питательную среду при биосинтезе пенициллина вводят «предшественник» фенилацетамид - это увеличивает выход антибиотика более чем в 2 раза.

По окончании процесса ферментации культуральную массу пере­дают на процесс выделения антибиотика.

Большинство продуцентов при биосинтезе выделяют антибиотик в водную фазу, поэтому процесс выделения антибиотика начинается с разделения твердой и жидкой фаз.

Твердая фаза, кроме массы мицелия, содержит значительное ко­личество коллоидных примесей, затрудняющих фильтрование, поэтому культуральную массу предварительно подвергают различным типам ко­агуляции (электролитической, тепловой, кислотной и т. д.). Наиболее эффективным методом коагуляции культуральной массы является ее обработка флокулянтами (высокомолекулярными полиэлектролитами), например, поли-(4-винил)-Ы-бензилтриметиламмонийхлоридом.

Оставшийся от фильтрации мицелия водный раствор антибиотика направляют на химическую очистку и выделение.

Таким образом, водный раствор пенициллина направляют после фильтрации на экстракцию бутилацетатом при рН водной среды, равной 2. При таком значении кислотности среды подавляет кислотная иониза­ция пенициллина в водной фазе и он переходит в органическую фазу (в бутилацетат). Реэкстракцию пенициллина из бутилацетата проводят слабыми растворами щелочей.

Широко применяются сорбционные методы выделения и очистки антибиотиков. В качестве сорбентов широко используются синтетиче­ские ионообменные смолы.

Сушат пенициллины методом сублимации или распыления.

Угроза резистентности

Успехи применения бензилпенициллина в лечении болезней, вы­званных различными бактериями, были поистине сенсационными. Чув­ствительными к нему оказались и стафилококки, являющиеся возбуди­телями очень серьезных заболеваний. Статистические данные показы­вают, что в 1944 г. число инфекционных больных, вылеченных бензил- пенициллином, было около 99,8 %, однако, уже в 1956 г. этот процент снизился до 65 %, особенно большой процент инфицированных боль­ных, не поддававшихся лечению бензилпенициллином, наблюдался сре­ди работников предприятий, производящих антибиотики, и работников хирургических клиник, широко использующих антибиотики для лече­ния больных.

Почему же именно эти заведения стали рассадниками болезне­творных организмов, устойчивых к действию пенициллина? Уже со времени первого применения пенициллина стало известно, что некото­рые стафилококки невосприимчивы к нему. Чувствительные к пеницил­лину штаммы стафилококков погибают при лечении, остаются рези­стентные стафилококки, которые начинают размножаться и заполнять опустевшую нишу. И, таким образом, применение пенициллина для ле­чения заболеваний, вызванных резистентными формами стафилококка, не приведет к положительному результату.

Каким же путем избегают гибели стафилококки, резистентные к пенициллину? Было установлено, что они способны обезвредить моле­кулу пенициллина, изменив его структуру в самом слабом месте. Устой­чивые стафилококки вырабатывают фермент, который может разрушить молекулу пенициллина при добавлении к ней молекулы воды. При этом процессе (гидролизе) образуется соединение, безвредное для микробов.

Фермент, способствующий реакции «обезвреживания», называет­ся пенициллиназой. Его возникновение вызывается присутствием в среде пенициллина. С 1969 г. стала известна и химическая структура пени- циллиназы, вырабатываемой стафилококками. В построении ее молеку­лы участвуют 257 структурных единиц двадцати аминокислот, соеди­ненных в различной последовательности.

Другие бактерии образуют ферменты (ацилазы), которые разры­вают связь между основным ядром молекулы бензилпеницилина и ее боковой ацильной группой, образуя биологически неактивную 6- аминопеницилановую кислоту


Ацилаза

Пенициллаза
■c
CO^-NH—C—COOH

R—CO—NH—CH— ^H V^CH3


 

 


Второе расщепление ученые стали использовать для своих целей как возможность изменить молекулу пенициллина таким образом, что­бы ацилаза не смогла подвергнуть ее гидролизу. Таким способом были получены новые полусинтетические пенициллины.

Полусинтетический способ получения пенициллинов

В настоящее время большое значение имеет так называемый по­лусинтетический (биологический + химический) способ получения ана­логов природного пенициллина, обладающих рядом ценных свойств. Исходным продуктом в синтезе служит 6-аминопенициллановая кисло­та (6-АПК)

H2^CHCH r-CH3

/С------ NH—C—COOH

O

6-аминопенициллановая кислота Кислоту получают в результате биосинтеза, при развитии штамма плесени Penicillium chrysogenum, в специфических условиях его культи­вирования (при отсутствии предшественников в среде) или чаще путем ферментативного дезацилирования бензилпенициллина с участием пе- нициллинацилазы. При этом образуется 6-АПК и фенилуксусная кисло­та.

Ацилированием аминогруппы 6-АПК получен ряд новых полу­синтетических антибиотиков, которые кислотоустойчивы в желудке, не подвергаются деструкции в организме пенициллиназой, обладают более широким спектром действия:

/SwCH3 O

"с * ■ ■ Jc—Nh—с—cooh с1 O 6-АПК
/

H2^c^CH Vv-ch3 + т-R

/SwCH3

R -C- NH CH PH V^CH3 + HCl

O ^C------------- NH—С COOH

новые антибиотики

В табл. 5.1 приведены наиболее распространенные полусинтетические пенициллины.

Химический синтез природного бензилпенициллина был проведен в 1957 г. Дж. Шееном с сотрудниками, однако он был многостадиен, да­вал низкий выход бензилпенициллина и поэтому не нашел практическо­го применения.

Таблица 5.1

Полусинтетические пенициллины

Медицинское название антибиотика   R
Кислотоустойчивые препараты
Тропициллин О /O —СИ — C2H5
Фенбициллин f^yO СИ u 6
Пенициллиназоустойчивые препараты
Метициллин   СИз уСИ2- "-ЧэСНз
Оксациллин Сг С — С — N С —СН3 ^ 3
Ампициллин с Тснз

 

Получение цефалоспоринов

Цефалоспорины относятся к группе b-лактамных антибиотиков, близких по структуре к пенициллину. Основной продуцент этого анти­биотика - гриб Cepholosporium acremonium:

R-COH^^/S

^^V^CHOCOCH

COOH

Цефалоспорин С

Цефалоспорин подавляет развитие грамположительных и грамот- рицательных бактерий, но антибиотическая активность гораздо ниже, чем у пенициллина. Структура b-лактамного кольца его также неустой­чива, и гидролизу ется ферментом цефалоспориназой.

Полусинтетические аналоги цефалоспорина

В последнее время методом смешанного (биологического и хими­ческого) синтеза получено большое число аналогов цефалоспорина. Многие из этих соединений имеют важное практическое значение.

Основой полусинтеза цефалоспоринов служит 7-амино- цефалоспорановая кислота, которая получается в результате отщепле­ния ацильного остатка от цефалоспорина С под действием фермента ацилазы. Модификация основного ядра цефалоспорина может происхо­дить с двух сторон молекулы:

^^^^СНзОСОСНз СООН

7-аминоцефалоспорановая кислота

Химическим или биотехнологическим (ферментативным) путем можно отщепить правую ацетоксигруппу (-ОСОСН3) 7- аминоцефалоспорановой кислоты с образованием 7- аминодеацетоксицефалоспорановой кислоты и на ее основе синтезиро­вать полусинтетические антибиотики, широко применяемые в медицин­ской практике.

Общая формула полусинтетических цефалоспоринов R - NH^^Sv

СООН

В табл. 5.2 приведены некоторые медицинские препараты, полученные на основе полусинтетических цефалоспоринов.

Таблица 5.2

Медицинское название антибиотика Ri R2
Цефалоридин /S\Z СН2СО- О 2  
Цефокситин ^Y СН2СО- -СН2ОС- NH2

 

Окончание табл. 5.2
Цефалексин гуснс°- nh2 -СНз
Цефотаксим n—u-c=n- och3 co- -СИз

 

Модификация молекулы цефалоспорина приводит к существен­ным изменениям антимикробных свойств: расширению спектра анти­микробного действия, увеличению устойчивости антибиотиков к лакта- мазам, повышению липофильных свойств веществ, что дает возмож­ность использовать их в таблетках.

Получение стрептомицина

Ярко выраженной способностью вырабатывать антибиотические вещества обладают, помимо плесеней и микробов, также и лучистые грибки - актиномицеты, обычно обитающие в почве. Сравнительно быстрая гибель большинства патогенных микробов при попадании в почву тесно связана с явлением антагонизма актиномицетов и бактерий. Изучение этого явления привело к открытию в 1943 г. С. Ваксманом второго после пенициллина антибиотика - стрептомицина, устойчивого не только к грамположительным, но и к грамотрицательным, и кислото­стойким бактериям:

OH

(в)

NH

CNH2 NH

Стрептомицин

 

В этом смысле он превосходит пенициллин, который почти не ак­тивен к последним двум группам возбудителей инфекции. Особенно важным свойством стрептомицина является его высокая активность к возбудителю туберкулеза.

В своей структуре стрептомицин содержит (а) N-метил-Б- глюкозамин, (б) - стрептозу и (в) - стрептидин и является сильным ор­ганическим основанием. В практике применяют его соли с кислотами (соляной, серной и др.)

При культивировании стрептомицина в качестве источника энер­гии требуется быстро метаболизируемый сахар (например, глюкоза), который вводят в начале процесса. Однако скорость его ассимиляции должна быть строго ограничена количеством присутствующего азота и фосфата, что в противном случае приводит к чрезмерному росту мице­лия и снижению выхода антибиотика. На практике азот вводится в виде сложных соединений (фильтрат барды и остатки масличного семени), которые в течение длительного процесса ферментации медленно разла­гаются, выделяя аммиачный азот, рН среды 7,0-8,0, температура фер­ментации ~28,5 оС. На стрептомицин не действует ни пенницилаза, ни большинство микроорганизмов; если на более поздних стадиях процес­са происходит инфицирование культуры, то образовавшийся стрепто­мицин не разрушается.

Типичные промышленные среды представляют смеси 2,5 %-й глюкозы, 4 %-й соевой муки с низким содержанием масла, 0,5 %-й бар­ды и 0,25 %-й поваренной соли; в некоторых случаях добавляют сухие дрожжи, мясные экстракты и кукурузный экстракт. В процессе фермен­тации могут использоваться масла и жирные кислоты (в качестве пита­тельных компонентов либо в качестве пеногасителей). Процесс фермен­тации развивается так же, как и в случае производства пенициллина, причем образование стрептомицина в течение первых трех дней не про­исходит. За 6 дней концентрация стрептомицина достигает конечной величины - 0,8 %.

Поскольку мицелий получается гораздо более мелкий, его нельзя собрать на волокнистом фильтре, поэтому для осветления субстрата ис­пользуют кизельгур, в результате чего отфильтрованная масса делается пригодной для скармливания скоту. Субстрат разделяют на ионообмен­ной колонне.

Получение тетрациклинов

В 1948 г. из почвы был выделен новый вид актиномицета - Strep- tomyces aureofaciens, образующий антибиотики - хлортетрациклин, тет­рациклин и другие вещества:

ОН О ОН О 1) R = R' = И - тетрациклин 2) R = Н, R' = ОН - окситетрациклин 3) R = Cl, R' = Н - хлортетрациклин и т.д.

 

Как было найдено, эти антибиотики обладают широким антибио­тическим действием в отношении грамположительных и грамотрица- тельных бактерий, риккетсий, спирохет, хламидий и т. д. Их применяют в сельском хозяйстве как стимуляторы роста животных и птиц.

Хлортетрациклин был первым из выделенных тетрациклинов. В зависимости от свойств штамма в качестве источника энергии могут быть использованы различные углеводы, однако для промышленного производства представляют интерес лишь сахароза, крахмал и глюкоза. Максимальные выходы антибиотика достигаются в результате ограни­чения содержания неорганического азота в среде и заменой его слож­ными веществами биологического происхождения (мукой масличных семян, арахисом, копрой - ядром кокосового ореха). В среду во многих случаях добавляют кровяную муку, рыбную муку и гидролизованный казеин. В ограниченных концентрациях используют кукурузный экс­тракт и барду при определенном содержании фосфатов. Содержание фосфатов является важным фактором, поскольку пока весь неорганиче­ский фосфат полностью не будет преобразован в нуклеиновые кислоты и другие продукты обмена, образование тетрациклина не происходит. Также в среде необходимо присутствие катионов микроэлементов (Со, Си, Zn, Mn, Fe). Примерный состав питательных сред: крахмал (зерно в перемолотом и набухшем состоянии) 2-5 %, сахароза (в виде сахара или свекольной патоки) 1-3 %, мука из масличного семени (отходы с низ­ким содержанием жиров, арахис или соя) 1-3 %, мясные отходы (кровя­ная или мясная мука) 0,2-0,5 %, кукурузный экстракт 0,2- 1,0 %, аммо­ниевые соли 0,1-0,5 %, известь 0,5 %, поваренная соль 0,1-0,5 %, соли микроэлементов.

Для ферментации желательно применять ферментаторы, изготов­ленные из нержавеющей стали или другого стойкого материала. В тече­ние четырех дней, пока длится процесс, среда должна аэрироваться. Окончательное значение выхода продукта приближается к 1 %. Препа­рат может быть осажден добавлением извести до рН 8,8. Затем он от­фильтровывается на фильтр-прессе, экстрагируется разбавленной кис­лотой и очищается посредством фракционного осаждения: после пере­кристаллизации можно получить продукт, достигающий 98 % чистоты.

Окситетрациклин был впервые изготовлен в 1950 г. при культи­вировании актиномицета Streptomyces rimosus. Среда и условия фермен­тации подобны используемым при производстве хлортетрациклина, за тем исключением, что в качестве источника азота могут быть использо­ваны нитраты и кукурузный экстракт.

Окситетрациклин образует нерастворимый комплекс с солями четвертичного аммониевого основания, и этот комплекс может быть легко отделен от субстрата, после чего его размягчают соляной кислотой и затем кристаллизуют в виде соли уксусной кислоты. Как и другие тет- рациклины, этот препарат выпускается главным образом в виде таблеток или суспензии.

Тетрациклин был получен после хлортетрациклина и окситетра- циклина, причем почти одновременно как путем направленной фермен­тации с помощью отобранных штаммов Streptomyces aureofaciens в условиях низкого содержания хлоридов в питательной среде, так и пу­тем каталитического восстановления хлортетрациклина.

В методе направленной ферментации используется ряд организ­мов, в том числе и Streptomyces vicidifaciens, при этом полученный штамм в адекватной среде может обеспечить большие выходы тетра­циклина или равные количества хлортетрациклина и тетрациклина про­порционально количеству присутствующих ионов хлора. В случаях, ко­гда необходимо избежать образования хлортетрациклина, содержание хлорида в среде не должно превышать 17 ч./млн. Если необходимо ис­пользовать в качестве основных компонентов субстрата сложные биоло­гические вещества, то в условиях промышленного производства для контроля уровня хлоридов имеются два способа:

1) удалять большую часть хлорида, пропуская компоненты, такие, как сахар-сырец и кукурузный экстракт через ионообменные смолы. Этот метод вполне эффективен, если применяется к разбавленным рас­творам;

2) вводить в среду вещества, замедляющие утилизацию хлорида, например, бромиды. Оказалось, что при концентрациях от 10 до 350 ч./млн., ионы брома практически подавляют образование хлортетрацик­лина, даже в присутствии ионов хлора в концентрациях 1500 ч./млн. На практике применяют бромистый натрий (5 %).

Получение антибиотиков-макролидов

Большую группу антибиотиков (эритромицин, олеандомицин и др.), содержащих в своей структуре макроциклический лактонный фрагмент и продуцируемых различными штаммами Streptomyces, со­ставляют так называемые макролиды. Наиболее известным представи­телем этой группы является эритромицин, который по спектру антибак­териального действия близок к пенициллину и применяется для лечения больных с повышенной чувствительностью к пенициллину и тетрацик­лину.

o

ch д

ch

h

 

h3c-4 ^ч^ч^си
  гсит
нзсу j снз /=о
OH o
сА I си
  снз сиз СН3
oo

Эритромицин

з

 

Культивирование продуцента эритромицина длится 150 часов при рН~7 на среде, приготовленной на основе крахмала, соевой муки, масла, кукурузного экстракта, сухих дрожжей и извести. Культуральную жид­кость фильтруют на кизельгуре, и антибиотик экстрагируют с помощью амилацетата. Обычно фильтрат культуры и растворитель пропускают через установленный в системе смеситель, а затем через обычную цен­трифугу. Антибиотик можно разбавить буферным раствором, осадить ацетоном и хлористым натрием, и, наконец, кристаллизовать его из аце­тонового раствора.

Широкое и успешное использование антибиотиков в медицине привело к их использованию и в других областях, в том числе:

- в ветеринарии (с теми же целями, что и в медицине);

- для борьбы с некоторыми болезнями растений бактериального и грибкового происхождения;

- в качестве добавки к кормам животных, так как они ускоряют рост и увеличивают степень превращения кормов в мясо;

- в качестве консервантов скоропортящихся продуктов;

- для подавления бактериальной флоры при осуществлении раз­личных процессов при производстве вакцин.

Наука об антибиотиках продолжает быстро развиваться. С одной стороны, продолжаются поиски новых, еще более эффективных препа­ратов биотехнологии, в том числе с иммуностимулирующим, противо­опухолевым, противовирусным действием, с другой стороны, расширя­ются работы по химическому синтезу производных этих веществ и хи­мической модификации природных антибиотиков.

ch
(снз)2к

Продолжаются работы по созданию новых и совершенствованию действующих процессов биотехнологии, предусматривающих создание экологически чистых безотходных технологий.

Развитие исследований в этом направлении и внедрение их в практику является одним из перспективнейших разделов естествозна­ния.

5.3. ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ И МНОГОКЛЕТОЧНЫХ

ОРГАНИЗМОВ

Крупномасштабное культивирование микроорганизмов как пря­мой источник белка для питания человека и животных рассматривалось в качестве способа решения проблемы нехватки пищи в Германии уже во время Первой мировой войны. Были разработаны технологические процессы культивирования пивных дрожжей, которые после обработки и высушивания добавляли в супы и колбасы. Во время Второй мировой войны эти процессы уже были хорошо отработаны.

Выражение «белки одноклеточных организмов» возникло в 60-е гг. применительно к бактериальной биомассе (преимущественно дрожжей), которая используется в качестве пищевого компонента жи­вотных и человека. Особенно привлекательным является тот факт, что питательной средой при культивировании бактерий зачастую являются отходы сельского хозяйства: жмых сахарной свеклы в производстве са­хара, подсолнечный жмых при получении растительного масла, молоч­ная сыворотка в производстве сыра, древесная стружка и опилки и т. п.

Интерес к этой проблеме вспыхнул после публикации результатов исследований, показывающих возможность производства таких белко­вых концентратов на основе углеводородов. Нефтяные компании финан­сировали развитие этих исследований не только по причине использова­ния углеводородов, но и в связи с благоприятными результатами пище­вых тестов и перспективами сбыта.

Первая крупномасштабная фабрика белкового концентрата была разработана совместной фирмой «British Petroleum» (Великобритания) и «Италпротеин» (Италия) в 1975 г, ее производительность составляла 100000 т/год; сырьем были нормальные парафины. Этой проблемой за­нялась и Япония, были построены 8 заводов производительностью 1500 т белка/год. Однако интерес к производству белка одноклеточных орга­низмов в 70-е гг. несколько снизился; отчасти из-за благоприятной сельскохозяйственной ситуации тех лет, но главным образом из-за не­совершенства технологий, не удаляющих некоторые токсические веще­ства из конечного продукта.

В 80-е гг. германская фирма «Хехст», отличающаяся на рынке своими высокими технологиями, разработала процессы получения вы­сококачественных белковых концентратов. В 80-е гг. одним из ведущих в мире производителем белков был СССР с его неисчерпаемой сырье­вой базой. В Финляндии сооружена фабрика, использующая гриб Paecilomyces в сульфитных стоках бумажных комбинатов; мощность фабрики - 10000 т белка/год.

В странах ЕЭС производится белковых концентратов около 25 млн т в год. Эти цифры говорят о рентабельности предприятий. Корм для скота становится дорогим из-за ограничения земельных угодий и по ряду других причин. Белки одноклеточных организмов имеют огромные преимущества: высокую скорость воспроизводства, доступность сырье­вых источников, решение проблем утилизации отходов многих пред­приятий и т. д. Кроме того, белки имеют постоянный и воспроизводи­мый состав, их легко витаминизировать, добавлять необходимые мик­роэлементы; их также легко изготовлять в виде гранул или таблеток, их хранение осуществляется намного легче, чем хранение растений или других кормов.

Тем не менее производители белка не рассматривают свою про­дукцию как заменитель белка в рационе животных: белковые концен­траты служат добавками к кормам, удешевляя их и повышая их каче­ство.

Следует отметить, однако, что производство белковых добавок развивается не столь быстро, как прогнозировалось в 60-70 гг. Дело в том, что в значительной степени ужесточились требования к безопасно­сти технологий, которые должны учитывать результаты всех необходи­мых токсикологических и пищевых испытаний.

Особенно осторожными следует быть в вопросах применения белковых концентратов в питании человека. Однако их использование для решения проблемы питания населения земли не имеет альтернати­вы, поскольку прогнозы свидетельствуют о том, что прирост населения не соответствует приросту продуктов питания. Можно с уверенностью сказать, что освоение микроорганизмов в питании человека только начинается.

Микроорганизмы начали использовать в производстве белковых продуктов задолго до возникновения микробиологии. Достаточно упо­мянуть всевозможные разновидности сыра, а также продукты, получае­мые путем ферментации соевых бобов. И в первом, и во втором случае питательной основой является белок. При выработке этих продуктов, при участии микробов, происходит глубокое изменение свойств белок- содержащего сырья. В результате получают пищевые продукты, кото­рые можно дольше хранить (сыр) или удобнее потреблять (соевый тво­рог). Микробы играют роль в производстве некоторых мясных продук­тов, предназначенных для хранения. Так, при изготовлении некоторых сортов колбасы используется кислотное брожение, обычно при участии комплекса молочнокислых бактерий. Образовавшаяся кислота способ­ствует сохранности продукта и вносит вклад в формирование его особо­го вкуса.

Этим, пожалуй, и ограничивается использование микроорганиз­мов в переработке белков. Возможности современной биотехнологии в этих производствах невелики, за исключением сыроделия. Другое дело - выращивание и сбор микробной массы, перерабатываемой в пищевые продукты: здесь биотехнология может проявить себя во всей полноте.

5.3.1. Производство белка одноклеточных организмов

По многим важным показателям биомасса микроорганизмов мо­жет обладать весьма высокой питательной ценностью. В немалой степе­ни эта ценность определяется белками: у большинства видов они со­ставляют значительную долю сухой массы клеток. На протяжении деся­тилетий активно обсуждаются и исследуются перспективы увеличения доли белка микроорганизмов в общем балансе производимого во всем мире белка.

Производство такого белка связано с крупномасштабным выращи­ванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перераба­тывают в пищевые продукты. Чтобы осуществить возможно более пол­ное превращение субстрата в биомассу микробов, требуется многосто­ронний подход. Выращивание микробов в пищевых целях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, они растут гораздо быстрее, чем растения и животные: время удвоения их численности измеряется часа­ми. Это сокращает сроки, нужные для производства определенного ко­личества пищи. Во-вторых, в зависимости от выращиваемых микроор­ганизмов в качестве субстратов могут использоваться разнообразные виды сырья. Что касается субстратов, то здесь можно идти по двум главным направлениям: перерабатывать низкокачественные бросовые продукты или ориентироваться на легкодоступные углеводы и получать за их счет микробную биомассу, содержащую высококачественный бе­лок.

Получение микробного белка на метаноле

Основное преимущество этого субстрата - высокая чистота и от­сутствие канцерогенных примесей, хорошая растворимость в воде, вы­сокая летучесть, позволяющая легко удалять его остатки из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит нежелатель­ных примесей, что дает возможность исключить из технологической схемы стадии очистки.

Однако необходимо учитывать при проведении процесса и такие особенности метанола, как горючесть и возможность образования взры­воопасных смесей с воздухом.

В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктив­ном обмене, были изучены как дрожжевые, так и бактериальные штам­мы. Из дрожжей были рекомендованы в производство Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптимальные условия для кото­рых (температура 34-37 °C, рН 4,2-4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скоро­сти протока в интервале 0,12-0,16 ч-1. Среди бактериальных культур применяется Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и др., способные развиваться при температуре 32-34 °C, рН 6,0-6,4 с экономическим ко­эффициентом усвоения субстрата до 0,55 при скорости протока до 0,5 ч- 1.

Особенности процесса культивирования во многом обусловлены применяемым штаммом-продуцентом (дрожжи или бактерии) и услови­ями асептики. Ряд зарубежных фирм предлагает использовать дрожже­вые штаммы и проводить выращивание в отсутствии строгой асептики. В этом случае технологический процесс протекает в ферментаторе эжекционного типа производительностью 75 т белка в сутки, а удель­ный расход метанола составляет 2,5 т/т белка.

При культивировании дрожжей в асептических условиях реко­мендованы аппараты колонного или эрлифитного типа производитель­ностью 75-100 т белка/сут при расходе метанола до 2,63 т/т белка. В том и другом случае процесс культивирования проводится одностадий­но, без стадии «дозревания», с невысокой концентрацией субстрата (8­10 г/л).

В ряде стран в качестве продуцентов применяются бактериальные штаммы, процесс проводится в асептических условиях в ферментаторах эрлифитного или струйного типов производительностью 100-300 т/сут и расходом метанола до 2,3 т/т белка. Ферментация осуществляется одно­стадийно при невысоких концентрациях спирта (до 12 г/л), с высокой степенью утилизации метанола.

Наиболее перспективным по своей конструкции является струй­ный ферментатор Института технической химии (Германия). Фермента­тор объемом 1000 м состоит из секций, расположенных одна над дру­гой и соединенных между собой шахтными переливами. Ферментаци­онная среда из нижней секции ферментатора по напорному трубопрово­ду подается центробежными циркуляционными насосами в верхние шахтные переливы, через которые проходит в низлежащую секцию, подсасывая при этом воздух из газовода. Таким образом, среда протека­ет из секции в секцию, постоянно подсасывая новые порции воздуха.

Падающие струи в шахтных переливах обеспечивают интенсивное аэ­рирование среды.

Питательная среда непрерывно подается в зону верхних шахтных переливов, а микробная суспензия отводится из выносных контуров. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделе­ние грануляции с целью получения готового продукта в гранулах.

Кормовые дрожжи, полученные на метаноле, имеют следующий состав (в %): сырой протеин 56-62; липиды 5-6; зола 7-11; влага 8-10; нуклеиновые кислоты 5-6. Бактериальная биомасса характеризуется следующим составом (в %): сырой протеин 70-74; липиды 7-9; зола 8­10; нуклеиновые кислоты 10-13; влажность 8-10.

Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья исполь­зуют этанол, который имеет малую токсичность, хорошую раствори­мость в воде, небольшое количество примесей.

В качестве микроорганизмов - продуцентов белка на этиловом спирте как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Aci- netobacter calcoaceticus). Процесс культивирования проводят односта­дийно в ферментаторах с высокими массообменными характеристиками при концентрации этанола не более 15 г/л.

Дрожжи, выращенные на этаноле, содержат (в %): сырого протеи­на - 60-62; липидов - 2-4; золы - 8-10; влаги - до 10.

Получение белковых веществ на углеводном сырье

Исторически одними из первых субстратов, используемых для получения кормовой биомассы, были гидролизаты растительных отхо­дов, предгидрализаты и сульфитный щелок - отходы целлюлозно- бумажной промышленности. Интерес к углеводному сырью как основ­ному возобновляемому источнику углерода значительно возрос еще и с экологической точки зрения, так как оно может служить основой для создания безотходной технологии переработки растительных продук­тов.

В связи с тем, что гидролизаты представляют собой сложный суб­страт, состоящий из смеси гексоз и пентоз, среди промышленных штаммов-продуцентов получили распространение виды дрожжей C. utilis, C. scottii и C. tropicalis, способные наряду с гексозами усваи­вать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде.

Состав питательной среды, в случае культивирования на углево­дородном сырье, значительно отличается от применяемого при выра­щивании микроорганизмов на углеводородном субстрате. В гидролиза- тах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практиче­ски все необходимые для роста дрожжей микроэлементы. Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора со­лей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония.

Ферментация осуществляется в эрлифтных аппаратах конструк­ции Лефрансуа-Марийе объемом 320 и 600 м . Процесс культивирова­ния дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2-4,6. Оптимальная температура - от 30 до 40 °С.

Кормовые дрожжи, полученные при культивировании на гидроли- затах растительного сырья и сульфитных щелоках, имеют следующий состав (в %): белок - 43-58; липиды - 2,3-3,0; углеводы - 11-23; зола - до 11; влажность - не более 10.

Одним из перспективных субстратов в производстве кормовой биомассы являются гидролизаты торфа, имеющие в своем составе большое количество легкоусвояемых моносахаров и органических кис­лот. Дополнительно в состав питательной среды вводятся лишь не­большие количества суперфосфата и хлорида калия. Источником азота служит аммиачная вода. По качеству кормовая биомасса, полученная на гидролизатах торфа, превосходит дрожжи, выращенные на отходах рас­тительного сырья.

5.3.2. Производство грибного белка (микопротеина)

Микопротеин - это пищевой продукт, состоящий в основном из мицелия гриба. При его производстве используется штамм Fusarium graminearum, выделенный из почвы. Микопротеин производят сегодня на опытной установке методом непрерывного выращивания. В качестве субстрата используется глюкоза и другие питательные вещества, а ис­точниками азота служат аммиак и аммонийные соли. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке для умень­шения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мице­лий методом вакуумного фильтрования.

Если сопоставить производство микопротеина с процессом синте­за белков животных, то выявится ряд его преимуществ. Помимо того, что здесь выше скорость роста, превращение субстрата в белок проис­ходит несравненно эффективнее, чем при усвоении пищи домашними животными. Это отражено в табл. 5.3.

Нелишне напомнить, что корма для животных должны содержать некоторое количество белка (до 15-20 %), в зависимости от вида живот­ных и способа их содержания. Положительным фактором является и во­локнистое строение выращенной культуры; текстура массы мицелия близка к таковой у естественных продуктов, поэтому у продукта может быть имитирована текстура мяса, а за счет добавок - его вкус и цвет.

Плотность продукта зависит от длины гифов выращенного гриба, кото­рая определяется скоростью роста.

Таблица. 5.3

Эффективность конверсии при образовании белка для различных

животных и Fusarium graminearum

    Продукция
  Исходный продукт Белок, г Общая, г
Корова 1 кг корма 68 говядины
Свинья 1 кг корма 200 свинины
Курица 1 кг корма 240 мяса
Fusarium gra- 1 кг углеводов + неор­ 13 + 6 1080 клеточной
minearum ганический азот   массы

 

После проведения всесторонних исследований питательной цен­ности и безвредности микопротеина Министерство сельского хозяйства, рыболовства и пищевых продуктов дало разрешение на его продажу в Англии. Содержание питательных веществ в нем указано в табл. 5.4 .

Таблица 5.4

Средний состав микопротеина и сравнение его с составом говядины
Компоненты Состав, % (на сухой вес)
  микопротеин бифштекс
Белки
Жиры
Пищевые волокна Следы
Углеводы
Зола
РНК Следы

5.3.3. Производство цианобактерий

 

В 1521 г. испанец Бернал Диас дель Кастильо в своих записках упомянул о галетах под названием «текуитлатл», которые продавались на базаре в Мехико. Они были необыкновенного синего или зеленого цвета, очень вкусные и питательные. Оказалось, что они изготовлены из сине-зеленых водорослей озера Текскоко (неподалеку от Мехико). Пла­сты этих водорослей извлекали из озера, сушили слоями и изготовляли галеты. Озеро Текскоко примечательно тем, что вода в нем имеет силь­но щелочную реакцию (вплоть до pH 11).

В настоящее время известно, что эти сине-зеленые водоросли представляют собой цианобактерии Spirulina platensis.








Date: 2015-09-24; view: 2819; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2017 year. (0.233 sec.) - Пожаловаться на публикацию