Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 3 )

Другим доступным  источником углерода и энергии являются некоторые компоненты нефти и газа. Наилучшим субстратом из компонентов нефти являются н-алканы или парафины (особенно жидкие) с числом углеродных атомов от 10 до 20..  Их могут утилизировать большинство бактерий и дрожжи. Эти соединения являются компонентами фракции дизельного топлива (солярки), получаемой при перегонке нефти. Поскольку н-алканы имеют высокую температуру замерзания, то их присутствие в дизтопливе  нежелательно, и для получения топлива высокого качества проводят процесс депарафинизации. Одним из направлений утилизации получаемых н-парафинов  может быть использование их в качестве субстрата для микробиологических производств. В 60-80-е годы в странах Запада  и в СССР были построены крупнотоннажные производства кормовых дрожжей (белково-витаминных концентратов – БВК). В частности такое производство было организовано на базе Кстовского нефтеперегонного завода. Однако резкое повышение цен на нефть и экологическая опасность (дрожжевой белок оказался сильным аллергеном для человека), привело к повсеместному закрытию этих производств. Имеются производства лимонной и кетоглутаровой кислоты на базе н-алканов.

Другими перспективными источниками  углеводородсодержащего сырья могут служить синтетический этанол, получаемый каталитической гидратацией этилена (категорически запрещен для использования в пищевых продуктах и лекарствах), синтетический метанол, а так же природный газ, очищенный от органических соединений серы (сульфидов, меркаптанов). 

Однако и нефть, и газ должны рано или поздно  истощится. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья. Помимо растительной биомассы  другим неисчерпаемым источником дешевого сырья  для биотехнологических производств могут служить различные отходы сельского хозяйства (отруби, шелуха семян, жмыхи, кочерыжки, кукурузные початки и др.), пищевой промышленности (меласса-маточник после кристаллизации упаренного раствора сахара, молочная сыворотка), целлюлозно-бумажного производства (варочные щелока, получаемые при термической обработке древесины слабыми растворами сернистой и серной кислот). Даже некоторые отходы одних биотехнологических производств могут служить прекрасным сырьем для других. Так спиртовая барда, остающаяся после отгонки спирта из бражки используется для микробиологического производства некоторых витаминов (В12).

Приготовление питательных сред для ферментационных процессов обычно рассматривается как мало интересная часть общей задачи, но фактически оно является краеугольным камнем, обеспечивающим успех всех последующих этапов. Среды неподходящего состава обусловят низкий уровень ростовых процессов и, следовательно, низкий уровень выхода целевого продукта. Поэтому рассмотрим основные моменты, связанные с этим процессом.

Жидкие компоненты питательных сред (кукурузный экстракт,  патоку, мелассу, гидрол, растительные масла, рыбий жир) доставляют на производство в железнодорожных цистернах и хранят в специальных сборниках на складах заводов и транспортируют по коммуникациям с помощью вакуума, сжатого воздуха или перекачивают насосами. Дозировку жидких компонентов осуществляют по массе или по объему в соответствии с прописью среды и контрольными показателями каждой партии этого нестандартного вида сырья.

Сыпучие компоненты сред из транспортной тары забирают или  в специальные бункеры или хранят на складах в исходной упаковке. Для транспортировки сыпучих компонентов используют ленточные и винтовые конвейеры, элеваторы, пневматический транспорт.

Жидкие питательные среды приготовляют в аппаратах-смесителях  с мешалкой, куда загружают отдельные компоненты в опре­деленной последо-вательности, установленной по регламенту.

Приготовление сложных комплексных сред, в состав которых, кроме минеральных компонентов и сахаров, входит мука, крахмал, кукурузный экстракт, проводят в нескольких смесителях. Куку­рузный экстракт обычно кипятят с мелом для нейтрализации содержащихся в нем аминокислот и органических кислот. Муку, крахмал предварительно заваривают и тщательно перемешивают, чтобы не допустить образования крупных комков, которые могут быть причиной нестерильных операций, поэтому реакторы должны быть снабжены барботерами для подачи пара.

Часто для снижения вязкости питательной среды, содержащей достаточно большую концентрацию кукурузной муки или крахмала проводят их частичный гидролиз амилолитическим ферментом - оризином (продуцент - Aspergillus oryzae) с последующей его инактивавацией нагреванием. 

В связи с тем, что в большинстве своем питательные среды имеют жидкую и твердую фазы, возникает необходимость тонкого измельчения твердых компонентов - отрубей, муки грубого помола, рыбно-костной муки, соевого жмыха. В этих целях с большой эффективностью  используют роторно-пульсационный  аппарат, через который пропускают суспензию компонента перед завариванием или после него. Благодаря этой процедуре не только избавляются от комков, образовавшихся при заваривании, но и повышают степень использования сырья, равно как и получают возможность применять отдельные виды сырья (например, среды  рыбно-костной мукой, плохо поддающиеся стерилизации из-за

большого количества рыбьих глаз).

Растворы сахаров, нуждающиеся в более щадящих режимах  стерилизации, рекомендуют готовить и стерилизовать отдельно, смешивая с основной средой только в ферментаторе.

Некоторые виды сырья, например,  соевая мука, вызывают повышенное вспенивание среды, поэтому для снижения пенообразования при стерилизации в такие среды добавляют жир в качестве пеногасителя. Подобная мера вызвана технологической  необходимостью, в принципе, добавление жира в среду повышает (устойчивость спор к тепловому воздействию и поэтому крайне  нежелательно. Все жировые компоненты сред необходимо стерилизовать отдельно. Для этого, как правило, предварительно готовят  водно-масляную или водно-жировую эмульсию с хозяйственным  мылом, повышающим ее стойкость.

Качество используемой воды зависит от назначения питательной среды. Чаще всего применяют артезианскую, реже - водо­проводную воду. В крупнотоннажных производствах кормовых дрожжей и белкововитаминных концентратов (БВК) используют воду, полученную по замкнутому циклу этого производства, то есть  прошедшую очистные сооружения. В производстве кровезамени­телей используют только апирогенную воду (бидистиллят).

Под стерилизацией сред обычно понимают любой метод воз­действия, обеспечивающий удаление из них микробов - контаминантов или разрушение (гибель) последних. Наиболее распространенным и универсальным среди возможных методов, вызывающих деструкцию микроорганизмов, является метод, основанный в использовании высоких температур. Клетки микроорганизмов, а так же их споры более чувствительны к тепловому воздействию, чем большинство химических веществ, используемых в питательных средах. На практике главная цель стерилизации - достижение стерильности, при сохранении качества питательной среды. Длительность экспозиции, или время выдержки - это тот временной интервал, в пределах которого погибают микроорганизмы, но сохраняется качество питательной среды..

Тепловую стерилизацию сред (по способу ее проведения) под­разделяют на периодическую и непрерывную. При периодическом  способе стерилизации процессы: нагрев, выдержка и охлаждение среды  протекают последовательно во времени в одном аппарате. Это может быть ферментер, посевной аппарат или специальный стерилизатор. Весь объем среды нагре­вают в аппарате до заранее выбранной температуры, выдерживают при этой температуре строго определенное время и охлаждают водой, подаваемой в рубашку аппарата или змеевик. Сам процесс нагрева осуществляют либо путем прямого введения (инжекции) струи перегретого пара с температурой до 1300С в питательную среду, либо подачей пара в тепловую рубашку аппарата. Метод отли­чается простотой и надежностью, однако имеет и свои недостатки.

1. В частности, ухудшается качество питательной среды из-за дли­тельного воздействия высокой температуры, при этом происходит карамелизация сахаров (образование ангидридов сахаров), де­струкция витаминов; излишне длительный нагрев приводит не только к разрушению питательных веществ, но и к образованию в среде потенциальных ингибиторов процесса ферментации, таких как аминосахара.

2. Второй недостаток связан с тем, что повышенный расход пара происходит периодически, что обусловливает неравномерность работы котельной.

3. Если процесс стерилизации питательной среды осуществляется непосредственно в ферментере, то значительно увеличивается время простоя аппарата.

4. Получение большого количества пара является весьма затратным процессом. Одним из способов уменьшения затрат могла бы быть частичная регенерация тепла, выделяющегося при остывании простерилизованной питательной среды. Это тепло можно использовать для получения горячей воды и использовать для бытовых и технологических нужд. Однако в периодическом режиме это сделать сложно и неудобно.

5.  Последний, пятый, недостаток касается трудности автомати­зации процесса периодической стерилизации по сравнению с непрерывным.

При непрерывном способе стерилизации каждый элементарный процесс - нагрев, выдержка, охлаждение  осуществляется в специально предназначенных для этого апаратах: нагревателе, выдерживателе, теплообменнике, которые составляют систему аппаратов для непрерывной стерилизации - установку непрерывной стерилизации (УНС). Непрерывная стерилизация имеет следующие преимущества по сравнению с периодической:

1)  при непрерывном методе стерилизации каждый элементарный объем среды (бесконечно малый объем, содержащий спору) находится при более высокой температуре более короткое время;

2)  благодаря более высоким температурам стерилизации и короткой экспозиции (выдерживании) деструкция компонентов питательной cpеды минимальна; 

3)  процесс  стерилизации всего  объема питательной сред растянут во времени, этим обеспечивается более равномерная загрузка котельной; 

4)  процесс легко контролируем и управляем; 

5)  отработанное тепло выделяется постоянно и равномерно, что обеспечивает возможность его использования для получения горячей воды.