Важнейшие микробные Важнейшие микробные объекты в биотехнологииобъекты в биотехнологии

ЭТАПЫ РАЗВИЭТАПЫ РАЗВИТИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ Я ПРОМЫШЛЕННОЙ МИКРОБИОЛОГИИМИКРОБИОЛОГИИ

11. Допастеровский период до 1865г. . Допастеровский период до 1865г. (приготовление хлеба, молочных продуктов (приготовление хлеба, молочных продуктов (сыры, йогурт), получение спиртосодержащих (сыры, йогурт), получение спиртосодержащих напитков (вино, пиво) и других продуктов на напитков (вино, пиво) и других продуктов на основе процессов брожения (уксус). основе процессов брожения (уксус).

22. Пастеровский период (1865-1940гг.), . Пастеровский период (1865-1940гг.), включающий промышленное культивирование включающий промышленное культивирование микроорганизмов с целью получения продуктов микроорганизмов с целью получения продуктов брожения (этанол, бутанол, ацетон, глицерол, брожения (этанол, бутанол, ацетон, глицерол, органические кислоты).органические кислоты).

33. Производство антибиотиков (1940-1960гг.), . Производство антибиотиков (1940-1960гг.), период, включающий промышленное период, включающий промышленное производство пенициллина, стрептомицина, производство пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина и др. и микробное хлортетрациклина и др. и микробное превращение стероидов (получение кортизона, превращение стероидов (получение кортизона, тестостерона, эстрогена).тестостерона, эстрогена).

44. (1960-1975гг.) Период расширения круга . (1960-1975гг.) Период расширения круга промышленно производимых микробных промышленно производимых микробных продуктов, включающий микробиологическое продуктов, включающий микробиологическое производство аминокислот (глутамин и лизин), производство аминокислот (глутамин и лизин), разработку методик производства микробного разработку методик производства микробного белка, производство ферментов (протеазы, белка, производство ферментов (протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное применение иммобилизованных ферментов применение иммобилизованных ферментов (глюкозоизомераза), производство (глюкозоизомераза), производство бактериальных полисахаридов (ксантан). бактериальных полисахаридов (ксантан).

55. Развитие синтетической биотехнологии (с . Развитие синтетической биотехнологии (с 1975г. по настоящее время), включающий 1975г. по настоящее время), включающий разработку технологий рекомбинантной ДНК разработку технологий рекомбинантной ДНК (1974г.) и получение с ее использованием (1974г.) и получение с ее использованием первых продуктов в 1982г. (инсулин человека, первых продуктов в 1982г. (инсулин человека, вакцины против диареи животных).вакцины против диареи животных).

Промышленные микробиологические Промышленные микробиологические процессы условно можно разбить на процессы условно можно разбить на

несколько основных групп: несколько основных групп:

1) получение живой или инактивированной 1) получение живой или инактивированной микробной биомассы микробной биомассы (производство пекарских, (производство пекарских, винных, кормовых дрожжей; вакцин, белково-винных, кормовых дрожжей; вакцин, белково-витаминных концентратов, средств защиты растений, витаминных концентратов, средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов и заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов, почвоудобрительных препаратов и силосования кормов, почвоудобрительных препаратов и т.д.); т.д.);

2) получение продуктов метаболизма 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов микроорганизмов (антибиотики, гормоны, (антибиотики, гормоны, аминокислоты, витамины, органические кислоты и т.д.); аминокислоты, витамины, органические кислоты и т.д.);

3) получение ферментов микробного 3) получение ферментов микробного происхождения; происхождения;

4) получение рекомбинантных продуктов; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ; 5) биотрансформация веществ; 6) утилизация неприродных соединений.6) утилизация неприродных соединений.

ОСНОВНЫЕ СТАДИИ (ЭТАПЫ ИЛИ ОСНОВНЫЕ СТАДИИ (ЭТАПЫ ИЛИ ОПЕРАЦИИ) ПРОМЫШЛЕННОГО ОПЕРАЦИИ) ПРОМЫШЛЕННОГО

ПРОИЗВОДСТВАПРОИЗВОДСТВА Подготовка необходимой культуры Подготовка необходимой культуры

микроорганизма-продуцента.микроорганизма-продуцента. Подготовка сырья.Подготовка сырья. Стадия ферментации.Стадия ферментации. Выделение и очистка целевого Выделение и очистка целевого

продукта.продукта. Приготовление товарной формы Приготовление товарной формы

целевого продукта.целевого продукта.

Выбор и Выбор и требовантребования к ия к штаммам-продуцентамштаммам-продуцентам

1) способность расти в чистой культуре и 1) способность расти в чистой культуре и генетическая стабильность; генетическая стабильность;

2) отсутствие патогенности и токсичности;2) отсутствие патогенности и токсичности; 3) высокая скорость роста при массовом 3) высокая скорость роста при массовом

культивировании и способность культивировании и способность синтезировать продукт в большом синтезировать продукт в большом количестве и за короткий промежуток количестве и за короткий промежуток времени; времени;

4) устойчивость к контаминации; 4) устойчивость к контаминации; 5) способность расти на простых и 5) способность расти на простых и

дешевых питательных средах. дешевых питательных средах.

Объекты промышленного Объекты промышленного использованияиспользования

а) бактерии и цианобактерии; а) бактерии и цианобактерии; б) грибы; б) грибы; в) водоросли; в) водоросли; г) простейшие.г) простейшие.

Продукты микробиологического Продукты микробиологического производствапроизводства

Микроорганизмы-продуцентыМикроорганизмы-продуценты

Пищевые продуктыПищевые продуктыКисломолочные продуктыКисломолочные продукты

Соления и маринадыСоления и маринады

УксусУксус

Пищевые и кормовые добавкиПищевые и кормовые добавкиАминокислотыАминокислоты

БелокБелок

ВитаминыВитамины

Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Streptococcus spp., Lactococcus spp.Streptococcus spp., Lactococcus spp.

Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Pediococcus spp.Pediococcus spp.

Acetobacter aceti, Gluconobacter suboxidansAcetobacter aceti, Gluconobacter suboxidans

Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Micrococcus spp.flavum, Micrococcus spp.

Methylomonas spp., Methylophillus methylo-Methylomonas spp., Methylophillus methylo-trophus, Anabaena spp., Spirulina spp.trophus, Anabaena spp., Spirulina spp.

Saccharomyces cerevisiae.Saccharomyces cerevisiae.Clostridium spp., Propionibacterium Clostridium spp., Propionibacterium

freudenreichii, Pseudomonas denitrificans, freudenreichii, Pseudomonas denitrificans, Bacillus megaterium, Gluconobacter spp.Bacillus megaterium, Gluconobacter spp.

Бактерии и цианобактерии

Продукты микробиологического производства

Микроорганизмы-продуценты

Промышленные соединенияСпиртыАцетонОрганические кислоты

Полисахариды

Ферменты

Лекарственные препаратыАнтибиотики

Биологически активные вещества

Инсектициды

Zimomonas mobilis, Clostridium spp. Clostridium spp.Lactobacillus spp., Acetobacter spp.,

Clostridium aceticum, Gluconobacter spp., Propionibacterium spp., Pseudomonas spp.

Leucomonstoс mesenteroides, Azotobacter vinelandii

Bacillus spp., Streptomyces spp., Actinomyces spp., Escherichia coli, Clostridium spp.

Streptomyces spp., Bacillus spp.

Bacillus thuringiensis

Группы ферментов Ферменты Бактерии-продуценты

Гликозидазы α-амилазаПуллуланазаβ-галактозидазаИнвертазаПолигалактуроназа,

пектин-эстеразаПектиназы

Bacillus licheniformisKlebsiella pneumoniaeEscherichia coliBacillus subtilis, B.diastaticusClostridium felsineumErwinia spp., Bacillus

polymyxa

Протеазы КоллагеназаАспартазаКомплекс «римопротелин»Комплекс «протелин»

Clostridium histolyticumEscherichia coliActinomyces rimosusStreptomyces griseus

Липазы Фосфокиназы Clostridium spp., Bacillus spp.

Негидролитические ферменты

ФумаразаГлюкозоизомеразы

Escherichia coliStreptomyces spp., Bacillus

spp.

Ферменты, получаемые путем промышленного культивирования продуцентов

ГрибыГрибы

антибиотикиантибиотики (Penicillium spp.); (Penicillium spp.); гиббереллиныгиббереллины ии цитокининыцитокинины (Fusarium (Fusarium

spp., Botrytis spp.); spp., Botrytis spp.); каротиноидыкаротиноиды ( (астаксантинастаксантин, Rhaffia , Rhaffia

rhodozima,); rhodozima,); белокбелок (Candida, Saccharomycopsis (Candida, Saccharomycopsis

lipolytica); lipolytica); спиртыспирты (Saccharomyces cerevisiae, (Saccharomyces cerevisiae,

Kluyveromyces fragilis); Kluyveromyces fragilis); сырысыры типатипа рокфоррокфор ии камамберкамамбер

(Penicillium spp.); (Penicillium spp.); соевыйсоевый соуссоус (Aspergillus oryzae). (Aspergillus oryzae).

ПростейшиеПростейшие

ПротивоопухолевыеПротивоопухолевые препаратыпрепараты круцинкруцин ии трепанозатрепаноза (Trypanosoma (Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi)), (Schizotrypanum cruzi)), астазилидастазилид (Astasia longa), (Astasia longa), парамилонпарамилон (Astasia (Astasia spp., Euglena spp.).spp., Euglena spp.).

Потенциальные продуценты белка Потенциальные продуценты белка и гетерополисахаридов.и гетерополисахаридов.

Водоросли Водоросли

кормовой и пищевой белок кормовой и пищевой белок ((Chlorella sppChlorella spp., ., Scenedesmus sppScenedesmus spp););

пищевые и витаминные добавки пищевые и витаминные добавки ((Ulva sppUlva spp., ., Porfira sppPorfira spp., ., Undaria sppUndaria spp., ., Rhodimenia sppRhodimenia spp., ., Alaria sppAlaria spp.);.);

глицерол (Dunaliella bardawil)глицерол (Dunaliella bardawil)

Классификация процессов Классификация процессов культивированиякультивирования

1)1) по состоянию питательной среды по состоянию питательной среды (поверхностные и глубинные);(поверхностные и глубинные);

2)2) по наличию или отсутствию перемешивания по наличию или отсутствию перемешивания (динамические или статические);(динамические или статические);

3)3) по содержанию кислорода (на аэробные по содержанию кислорода (на аэробные или анаэробные);или анаэробные);

4)4) по способу действия (закрытые, чаще по способу действия (закрытые, чаще периодические, и открытые, чаще непрерывные);периодические, и открытые, чаще непрерывные);

5)5) по количеству ферментеров (одно-, дву- и по количеству ферментеров (одно-, дву- и многостадийные);многостадийные);

6) по способу управления (хемостатные, 6) по способу управления (хемостатные, турбидостатные, оксистатные, рН-статные и турбидостатные, оксистатные, рН-статные и другие).другие).

Рис.1. Основные методы культивирования микроорганизмов.

Системы твердофазного или Системы твердофазного или

твердожидкостного типатвердожидкостного типа

Рис. 2. Основные фазы кривой роста периодической культуры микроорганизмов.

ПРОИЗВОДСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОИЗВОДСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЛУЧЕНИИ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫПОЛУЧЕНИИ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ

Производство белка Производство белка микроорганизмовмикроорганизмов

Препараты для сельского Препараты для сельского хозяйствахозяйства

Производство белка Производство белка микроорганизмовмикроорганизмов

Области применения микробного Области применения микробного белка белка

1) техническая (компоненты 1) техническая (компоненты питательных сред, различного рода питательных сред, различного рода наполнители, загустители-наполнители, загустители-эмульгаторы, стабилизаторы и т.д.), эмульгаторы, стабилизаторы и т.д.),

2) кормовая (для хозяйственно 2) кормовая (для хозяйственно ценных животных), ценных животных),

3) пищевая.3) пищевая.

Основные продуценты белка – Основные продуценты белка – с технологической точки зрения с технологической точки зрения наилучшими из продуцентов являются наилучшими из продуцентов являются дрожжи дрожжи Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae, , Candida sppCandida spp., ., Trichosporon sppTrichosporon spp., ., Hansenula Hansenula sppspp., ., Zygofabospora sppZygofabospora spp., ., Pichia sppPichia spp..

Помимо дрожжей также используют Помимо дрожжей также используют мицелиальные грибы родов мицелиальные грибы родов Aspergillus Aspergillus и и FusariumFusarium, виды рода , виды рода MucorMucor и бактерии и бактерии Methylomonas sppMethylomonas spp., ., Methylophillus Methylophillus methylotrophusmethylotrophus, , Hypomicrobium sppHypomicrobium spp., ., Pseudomonas sppPseudomonas spp..

Сырье для Сырье для микробиологического микробиологического

производствапроизводстваПоиск сырья для микробиологического Поиск сырья для микробиологического

производства белковых веществ осуществляется производства белковых веществ осуществляется по двум направлениям – ориентация на чистые по двум направлениям – ориентация на чистые виды сырья, желательно, индивидуальных виды сырья, желательно, индивидуальных соединений и ориентация на использование соединений и ориентация на использование различных отходов.различных отходов.

Основные виды сырья для производства Основные виды сырья для производства микробного белка :микробного белка :Нормальные (неразветвленные) парафины и Нормальные (неразветвленные) парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты, метан, водород, растительные гидролизаты, метан, водород, метанол, этанол, уксусная кислота, углекислый метанол, этанол, уксусная кислота, углекислый газ, молочная сыворотка, меласса, крахмал и газ, молочная сыворотка, меласса, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства. и сельского хозяйства.

Препараты для сельского Препараты для сельского хозяйствахозяйства

Препараты, производимые для Препараты, производимые для сельского хозяйства сельского хозяйства подразделяются на: подразделяются на:

энтомопатогенные препараты; энтомопатогенные препараты; бактериальные удобрения. бактериальные удобрения.

Бактериальные Бактериальные энтомопатогенные энтомопатогенные

препаратыпрепараты Бактериальные препараты на Бактериальные препараты на

основе Bacillus thuringiensis - основе Bacillus thuringiensis - энтобактерин, дипел, инсектин, энтобактерин, дипел, инсектин, алестин, токсобактерин, алестин, токсобактерин, дендробациллин, битоксибациллин, дендробациллин, битоксибациллин, гомелин, бактокулицид, текнар, гомелин, бактокулицид, текнар, бактимос, вектобак, москитур, бактимос, вектобак, москитур, бактоспеин. Активны против 130 бактоспеин. Активны против 130 видов насекомых.видов насекомых.

Грибные Грибные энтомопатогенные энтомопатогенные

препаратыпрепараты

Beaveria bassiana (боверин), Beaveria bassiana (боверин), Entomophthora thaxterianaEntomophthora thaxteriana (энтомофторин), (энтомофторин), Aschersonia Aschersonia aleuroidesaleuroides (верталек, майкотал), (верталек, майкотал), Verticillium lecaniiVerticillium lecanii (вертициллин). (вертициллин).

Бактериальные удобрения Бактериальные удобрения

Rhizobium Rhizobium sppspp. (нитрагин и . (нитрагин и ризоторфин), Azotobacter ризоторфин), Azotobacter chroococcumchroococcum (азотобактерин(азотобактерин), ), Bacillus megaterium var. Bacillus megaterium var. Phosphaticum (фосфобактерин). Phosphaticum (фосфобактерин).

Получение товарных форм целевого Получение товарных форм целевого

продуктапродукта Все товарные формы биопрепаратов с точки зрения Все товарные формы биопрепаратов с точки зрения

технологии их получения можно разделить на три технологии их получения можно разделить на три основные группы. основные группы.

1. Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в 1. Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в качестве основного компонента жизнеспособные качестве основного компонента жизнеспособные микроорганизмы. К этой группе относятся средства микроорганизмы. К этой группе относятся средства защиты растений, бактериальные удобрения, закваски защиты растений, бактериальные удобрения, закваски для силосования кормов, биодеграданты, другие для силосования кормов, биодеграданты, другие активные средства биотрансформации. активные средства биотрансформации.

2. Биопрепараты, в состав которых входит 2. Биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса клеток и продукты ее инактивированная биомасса клеток и продукты ее переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий и т.д. и т.д.

3. Биопрепараты на основе очищенных продуктов 3. Биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов. К ним относятся метаболизма микроорганизмов. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, липиды, полисахариды, продукты комплексной липиды, полисахариды, продукты комплексной переработки микробных масс и метаболитов.переработки микробных масс и метаболитов.

В зависимости от конкретных целей производства В зависимости от конкретных целей производства товарные формы представляют собой либо сложную товарные формы представляют собой либо сложную смесь, содержащую некоторое количество основного смесь, содержащую некоторое количество основного вещества, либо высокоочищенный препарат, вещества, либо высокоочищенный препарат, отвечающий ряду специальных требований. отвечающий ряду специальных требований.

Общие принципы разделения веществОбщие принципы разделения веществ

На первом этапе переработки культуральной На первом этапе переработки культуральной жидкости производят отделение массы жидкости производят отделение массы продуцента от жидкой фазы – сепарацию. продуцента от жидкой фазы – сепарацию. Технологические приемы, используемые для Технологические приемы, используемые для отделения клеток от среды, зависят от природы отделения клеток от среды, зависят от природы продуцента. Часто используют флотацию и продуцента. Часто используют флотацию и фильтрование.фильтрование.Сгущенная биомасса высушивается или Сгущенная биомасса высушивается или прессуется (пекарские дрожжи).прессуется (пекарские дрожжи).Если биомасса не содержит значимых количеств Если биомасса не содержит значимых количеств целевого продукта, то она осаждается целевого продукта, то она осаждается добавлением твердых компонентов, увлекающих добавлением твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно - физическое клетки или мицелий на дно - физическое осаждение либо подвергается фильтрации или осаждение либо подвергается фильтрации или центрифугированию. центрифугированию. Для выделения и очистки продуктов, Для выделения и очистки продуктов, находящихся внутри клеток продуцента находящихся внутри клеток продуцента (например интерферонов, гормонов) вводится (например интерферонов, гормонов) вводится стадия разрушения клеточных оболочек стадия разрушения клеточных оболочек ((дезинтеграция биомассыдезинтеграция биомассы).).

Жидкость далее также подвергается Жидкость далее также подвергается переработке, если содержит метаболиты, переработке, если содержит метаболиты, представляющие практическую ценность.представляющие практическую ценность.

Культуральная жидкость Культуральная жидкость перерабатывается путем перерабатывается путем экстракции,экстракции, адсорбции,адсорбции, осаждения, ионообмена, осаждения, ионообмена, высаливания, кристаллизации или с высаливания, кристаллизации или с помощью микро- и ультрафильтрациипомощью микро- и ультрафильтрации через полимерные мембраны со через полимерные мембраны со специально подобранным размером пор. специально подобранным размером пор.

Методы тонкой очистки и Методы тонкой очистки и разделения препаратовразделения препаратов

ХроматографияХроматография- хроматография на бумаге- хроматография на бумаге- хроматография в тонком слое или - хроматография в тонком слое или тонкослойная хроматографиятонкослойная хроматография- колоночная хроматография (в зависимости - колоночная хроматография (в зависимости от типа матрикса подразделяется на : от типа матрикса подразделяется на : ионообменную хроматографию, гидрофобную ионообменную хроматографию, гидрофобную хроматографию, хроматографию гель-хроматографию, хроматографию гель-фильтрацией, аффинную хроматографию, фильтрацией, аффинную хроматографию, высокоэффективную жидкостную высокоэффективную жидкостную хроматографию.)хроматографию.)

Высокоскоростное центрифугированиеВысокоскоростное центрифугирование УльтрацентрифугированиеУльтрацентрифугирование ЭлектрофорезЭлектрофорез