INDUSTRIA MICROBIOLOGICĂ, producerea unui produs cu ajutorul microorganismelor. Procesul efectuat de microorganisme se numește fermentație; Capacitatea în care curge se numește fermentatorul (sau bioreactorul).
Procesele care au loc cu participarea bacterii, drojdii și mucegaiuri, persoana care a solicitat sute de ani pentru a produce alimente și băuturi, textile și de prelucrare a pieilor, dar participarea la aceste procese de microorganisme a fost demonstrată doar în mijlocul secolului al 19-lea în mod clar.
În secolul XX. industria a folosit o varietate de abilități biosintetice remarcabile ale microorganismelor, iar acum fermentația este esențială pentru biotehnologie. Cu ajutorul său, ei primesc o varietate de produse chimice și medicamente de înaltă puritate, fac bere, vin, alimente fermentate. În toate cazurile, procesul de fermentare este împărțit în șase etape principale.
Creați un mediu. Mai întâi de toate, trebuie să alegeți mediul de cultură adecvat. Microorganismele au nevoie de surse de carbon organice, o sursă adecvată de azot și diverse minerale pentru creșterea lor. În producția de băuturi alcoolice în mediu trebuie să fie orz, fructe stoarse sau fructe de padure. De exemplu, berea este de obicei făcută din must de must și vin # 150; din suc de struguri. Pe lângă apă și, eventual, unii aditivi, aceste extracte formează un mediu de creștere.
Mediul pentru obținerea substanțelor chimice și a drogurilor este mult mai complicat. Cel mai des folosit in zahar si alti carbohidrati, dar de multe ori uleiuri și grăsimi, hidrocarburi, și, uneori, ca sursă de carbon. o sursă de azot sunt de obicei amoniac și săruri de amoniu, precum și diferite produse de origine vegetală sau animală origine: făină de soia, făină de soia, făină de semințe de bumbac, arahide, produse secundare amidon de porumb, deșeuri de abator, făină de pește, extract de drojdie. Pregătirea și optimizarea mediului de creștere este un proces foarte complex și rețete medii industriale # 150; cu grijă păzit secret.
Sterilizare. Mediul trebuie sterilizat pentru a distruge toate microorganismele poluante. Echipamentul de fermentare și auxiliar este, de asemenea, sterilizat. Există două metode de sterilizare: injecția directă a aburului supraîncălzit și încălzirea cu un schimbător de căldură. Gradul dorit de sterilitate depinde de natura procesului de fermentație. Ar trebui să fie maximă atunci când primiți medicamente și substanțe chimice. Cerințele privind sterilitatea în producția de băuturi alcoolice sunt mai puțin stricte. Astfel de procese de fermentare sunt denumite "protejate", deoarece condițiile create în mediul înconjurător sunt de așa natură încât numai anumite microorganisme pot crește în ele. De exemplu, în producția de bere, mediul de creștere este pur și simplu fiert, mai degrabă decât sterilizat; Fermentatorul este, de asemenea, utilizat curat, dar nu steril.
Obținerea culturii. Înainte de începerea procesului de fermentație este necesară obținerea unei culturi pure productive. Culturile pure de microorganisme sunt stocate în volume foarte mici și în condiții care să le asigure viabilitatea și productivitatea; acest lucru este de obicei realizat prin stocarea la o temperatură scăzută. Fermentatorul poate conține mai multe sute de mii de litri de mediu de cultură, iar procesul este pornit prin introducerea în ea a unei culturi (inocul), 1 parte # 150; 10% în volum, în care fermentația se va proceda. Astfel, cultura inițială ar trebui ridicată treptat (cu traversări) pentru a ajunge la nivelul biomasei microbiene suficiente pentru ca procesul microbiologic să continue cu productivitatea necesară.
Este absolut necesar să se mențină puritatea culturii tot timpul, fără a se permite contaminarea acesteia cu microorganisme străine. Conservarea condițiilor aseptice este posibilă numai cu control microbiologic și chimico-tehnologic atent.
Creștere într-un fermentator industrial (bioreactor). Microorganismele industriale ar trebui să crească într-un fermentator în condiții optime pentru formarea produsului dorit. Aceste condiții sunt strict controlate, asigurându-se că acestea asigură creșterea microorganismelor și sinteza produsului. Proiectul de fermentare ar trebui să permită ajustarea condițiilor de creștere # 150; temperatura constantă, pH (aciditate sau alcalinitate) și concentrația de oxigen dizolvată în mediu.
Un fermentator tipic este un rezervor cilindric închis în care mediile și microorganismele sunt amestecate mecanic. Aerul circulă prin mediu, uneori saturat cu oxigen. Temperatura este reglată cu ajutorul apei sau a aburului, care trece prin tuburile schimbătorului de căldură. Un astfel de fermentator cu agitare este utilizat în cazurile în care procesul enzimatic necesită o cantitate mare de oxigen. Unele produse, dimpotrivă, se formează în condiții anoxice și în aceste cazuri se folosesc fermentoare cu un design diferit. Astfel, berea este preparată la concentrații foarte scăzute de oxigen dizolvat, iar conținutul bioreactorului nu este aerat și nu se amestecă. Unele fabrici de bere încă folosesc în mod tradițional rezervoare deschise, dar în majoritatea cazurilor procesul se desfășoară în containere cilindrice închise, ne aerate, care se îngustează în jos, ceea ce contribuie la uscarea drojdiei.
Baza pentru producerea de oțet este oxidarea alcoolului în acid acetic prin bacterii Acetobacter. Procesul de fermentare are loc în containere numite acetatori, cu aerare intensivă. Aerul și mediul sunt aspirați printr-un agitator rotativ și alimentați pe pereții fermentatorului.
Izolarea și purificarea produselor. După finalizarea fermentației, bulionul conține microorganisme, componente nutritive neutilizate ale mediului, diverse produse ale activității microbiene și produsul pe care doresc să îl obțină la scară industrială. Prin urmare, acest produs este purificat de la alți constituenți ai bulionului. Atunci când se obțin băuturi alcoolice (vin și bere), este suficientă separarea drojdiilor prin filtrare și aducerea filtratului într-o stare satisfăcătoare. Cu toate acestea, substanțele chimice individuale obținute prin fermentare sunt extrase dintr-un bulion complex. Cu toate că microorganismele industriale special selectate în funcție de proprietățile lor genetice, astfel încât pentru a obține produsul dorit al metabolismului lor a fost maximă (în sens biologic), concentrația acestuia este încă scăzută în comparație cu cea obținută în producția prin sinteză chimică. Prin urmare, trebuie să recurgem la metode complexe de selecție # 150; extracția cu solvent, cromatografia și ultrafiltrarea.
PROCESE MICROBIOLOGICE INDUSTRIALE
Procesele microbiologice industriale pot fi împărțite în 5 grupe principale: 1) biomasa microbiană în creștere; 2) producția de produse metabolice ale microorganismelor; 3) obținerea de enzime de origine microbiană; 4) producerea de produse recombinante; 5) biotransformarea substanțelor.
Biomasa microbiană. Celulele microbiene pot servi ca produs final al procesului de producție. Două tipuri principale de microorganisme sunt produse la scară industrială: drojdia necesară pentru coacere și microorganismele unicelulare utilizate ca sursă de proteine care pot fi adăugate la alimentele umane și animale. Drojdia de drojdie a fost cultivată în cantități mari de la începutul secolului al XX-lea. și folosit ca produs alimentar în Germania în timpul primului război mondial.
Cu toate acestea, tehnologia pentru producerea de biomasă microbiană ca sursă de proteine alimentare a fost dezvoltată abia la începutul anilor 1960. O serie de companii europene au atras atenția asupra posibilității creșterii microbilor pe un substrat, cum ar fi hidrocarburile, pentru a obține așa-numitele. proteina organismelor unicelulare (BOO). Un triumf tehnologic a fost producția unui produs adăugat la furajele animalelor și constând în biomasă microbiană uscată cultivată pe metanol. Procesul a fost continuu într-un fermentator cu un volum de lucru de 1,5 milioane de litri. Cu toate acestea, din cauza creșterii prețurilor la petrol și produsele sale de prelucrare, acest proiect a devenit economic neprofitabil, dând loc producției de soia și făină de pește. Până la sfârșitul anilor 1980, au fost dezmembrate plantele pentru recepționarea BWU, ceea ce a pus capăt perioadei turbulente, dar scurte de dezvoltare a acestei ramuri a industriei microbiologice. Mai promițător a fost un alt proces # 150; producția de biomasă fungică și proteine fungice din micoproteine utilizând carbohidrați ca substrat.
Produse metabolice. După ce cultura este introdusă în mediul nutritiv, se observă o fază de întârziere, când nu apare o creștere vizibilă a microorganismelor; această perioadă poate fi considerată momentul adaptării. Apoi, rata de creștere crește treptat, ajungând la o constantă, maximă pentru aceste condiții; această perioadă de creștere maximă se numește faza exponențială sau logaritmică. Creșterea treptată încetinește, și așa-numitele. faza staționară. Mai mult, numărul de celule viabile scade, iar creșterea se oprește.
Urmând cinetica descrisă mai sus, se poate urmări formarea de metaboliți în diferite etape. În faza logaritmică se formează produse vitale pentru creșterea microorganismelor: aminoacizi, nucleotide, proteine, acizi nucleici, carbohidrați etc. Ele sunt denumite metaboliți primari.
Mulți metaboliți primari au o valoare considerabilă. Deci, acidul glutamic (mai precis, sarea de sodiu a acestuia) face parte din multe produse alimentare; lizina este utilizată ca supliment alimentar; Fenilalanina este precursorul substituentului de zahăr pentru aspartam. Metaboliții primari sunt sintetizați de microorganisme naturale în cantități necesare doar pentru a-și satisface nevoile. De aceea, sarcina microbiologilor industriali este de a crea forme mutante de microorganisme # 150; producători supraproductori ai substanțelor corespunzătoare. În acest domeniu s-au făcut progrese semnificative: de exemplu, a fost posibil să se obțină microorganisme care sintetizează aminoacizi până la o concentrație de 100 g / l (pentru comparație # 150; organismele de tip sălbatic acumulează aminoacizi în cantități estimate în miligrame.
În faza de decelerare a creșterii și a fazei staționare în unele microorganisme sintetiza substanțe, care nu au format în faza logaritmică și nu joacă nici un rol aparent in metabolismul. Aceste substanțe se numesc metaboliți secundari. Acestea nu sunt sintetizate de toate microorganismele, ci mai ales bacteriile filamentoase, ciupercile și bacteriile care formează spori. Astfel, producătorii de metaboliți primari și secundari aparțin diferitelor grupuri taxonomice. În cazul în care problema rolului fiziologic al celulelor producătoare de metabolit secundar a fost subiectul unor discuții considerabile, pregătirea acestora este de interes industrial considerabil, deoarece acești metaboliți sunt substanțe biologic active: unele dintre ele au activitate antimicrobiană, în timp ce altele sunt inhibitori specifici ai enzimelor, și altele # 150; factorii de creștere, mulți au activitate farmacologică. Producția de astfel de substanțe a servit drept bază pentru crearea unui număr de ramuri ale industriei microbiologice. Prima din această serie a fost producția de penicilină; Metoda microbiologică de producere a penicilinei a fost dezvoltată în anii 1940 și a pus bazele unei biotehnologii industriale moderne.
Industria farmaceutică a dezvoltat metode ultra-sofisticate de screening (testare în masă) a microorganismelor pentru capacitatea de a produce metaboliți secundari valoroși. Inițial, scopul screeningului a fost de a obține noi antibiotice, dar în curând s-a constatat că microorganismele au sintetizat și alte substanțe farmacologic active. În anii 1980, s-au produs patru metaboliți secundari foarte importanți. Acestea au fost: ciclosporina # 150; imunosupresor, utilizat ca mijloc de prevenire a respingerii organelor implantate; imipenem (una dintre modificările carbapenemului) # 150; substanță cu cel mai larg spectru de acțiune antimicrobiană a tuturor antibioticelor cunoscute; lovastatin # 150; un medicament care reduce colesterolul în sânge; ivermectină # 150; substanțe anthelmintice utilizate în medicină pentru tratamentul oncocercaniei sau "orbirii râurilor", precum și în medicina veterinară.
Enzime de origine microbiană. La scară industrială, enzimele sunt obținute din plante, animale și microorganisme. Utilizarea acestuia din urmă are avantajul că permite producerea de enzime în cantități imense folosind tehnici standard de fermentare. În plus, este incomparabil mai ușoară creșterea productivității microorganismelor decât plantele sau animalele, iar utilizarea tehnologiei ADN recombinant face posibilă sinteza enzimelor animale în celulele microorganisme. Enzimele obținute în acest mod sunt utilizate în principal în industria alimentară și în domenii conexe. Sinteza enzimelor din celule este controlată genetic și, prin urmare, microorganismele industriale disponibile - producătorii au fost obținuți ca urmare a schimbărilor direcționate în genetica microorganismelor de tip sălbatic.
Produse recombinante. Tehnologia ADN-ului recombinant, mai bine cunoscut sub numele de "inginerie genetica", permite ca genele organismelor superioare sa fie incorporate in genomul bacteriilor. Ca rezultat, bacteriile dobândesc capacitatea de a sintetiza produse "extraterestre" (recombinante) # 150; compuși care anterior nu puteau sintetiza decât organisme superioare. Pe această bază, multe noi procese biotehnologice au fost create pentru producerea de proteine umane sau animale care nu erau disponibile sau utilizate anterior cu un risc ridicat pentru sănătate. Termenul de "biotehnologie" însuși a devenit răspândit în anii 1970 în legătură cu dezvoltarea metodelor de producere a produselor recombinante. Cu toate acestea, acest concept este mult mai larg și include orice metodă industrială bazată pe utilizarea organismelor vii și a proceselor biologice.
Prima proteină recombinantă obținută la scară industrială a fost hormonul de creștere uman. Pentru tratamentul hemofiliei, se utilizează una dintre proteinele sistemului de coagulare a sângelui, și anume factorul VIII. Înainte ca metodele de obținere a acestei proteine să fie dezvoltate cu ajutorul ingineriei genetice, aceasta a fost izolată din sânge uman; utilizarea unui astfel de medicament a fost asociată cu un risc de infectare cu virusul imunodeficienței umane (HIV).
De mult timp, diabetul zaharat a fost tratat cu succes cu ajutorul insulinei animale. Totuși, oamenii de știință au crezut că produsul recombinat ar crea mai puține probleme imunologice dacă ar putea fi obținut în forma sa pură, fără impuritățile altor peptide produse de pancreas. În plus, era de așteptat ca numărul diabeticilor să crească în timp datorită unor factori cum ar fi modificările în modelele dietetice, îmbunătățirea îngrijirii pentru femeile gravide cu diabet zaharat (și, ca o consecință, # 150; creșterea frecvenței predispoziției genetice la diabet) și, în final, creșterea preconizată a speranței de viață a pacienților diabetici. Prima insulină recombinantă a intrat în vânzare în 1982 și, până la sfârșitul anilor 1980, a înlocuit aproape insulina animalelor.
Multe alte proteine sunt sintetizate în corpul uman în cantități foarte mici și singura modalitate de a le obține pe o scală suficientă pentru utilizare în clinică, # 150; tehnologie de ADN recombinant. Aceste proteine includ interferonul și eritropoietina. Eritropoietina împreună cu factorul de stimulare a coloniilor mieloide reglează procesul de formare a celulelor sanguine la om. Eritropoietina este utilizată pentru a trata anemia asociată cu insuficiența renală și poate fi utilizată ca mijloc de creștere a nivelurilor de trombocite în chimioterapie pentru cancere.
Biotransformarea substanțelor. Microorganismele pot fi utilizate pentru a transforma anumiți compuși în substanțe asemănătoare din punct de vedere structural, dar mai valoroase. Deoarece microorganismele își pot exercita acțiunea catalitică în ceea ce privește numai anumite substanțe, procesele care apar cu participarea lor sunt mai specifice decât cele pur chimice. Cel mai bine cunoscut proces de biotransformare # 150; producția de oțet ca urmare a conversiei etanolului în acid acetic. Dar printre produsele formate în timpul biotransformării, există, de asemenea, compuși cu valoare ridicată, cum ar fi hormoni steroizi, antibiotice, prostaglandine. Vezi și GENE ENGINEERING.
Microbiologie industrială și succesul ingineriei genetice (număr special al revistei Scientific American). M. 1984
Biotehnologie. Principii și aplicații. M. 1988