Использование брожений и других процессов метаболизма микроорганизмов.

      Ф

     Вариант 21

1. Использование брожений и других процессов метаболизма микроорганизмов.
2. Производства, основанные на получении микробной биомассы.
3. На базу завезли следующие породы древесины: ясень, ольху, пихту. Для изготовления мебели необходимо выбрать биостойкую древесину. Какая из перечисленных пород не подходит для этой цели?

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Использование брожений и других процессов метаболизма  микроорганизмов.

 

      В процессе обмена веществ микроорганизмы осуществляют разнообразные химические реакции, в результате которых образуются ценные вещества: спирты, кислоты, эфиры, витамины. Эти продукты жизнедеятельности микробов широко используют в медицине, промышленности, быту. Эти процессы можно разделить на анаэробные            (без присутствия кислорода) и аэробные (в присутствии кислорода). Наиболее важные из анаэробных процессов спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, масляно-кислое, ацетонбутиловое, пектиновое брожение.

      Брожение  – это процессы получения энергии, при которых отщепляемый от субстрата водород переносится, в конечном счете, на органические акцепторы. Л.Пастер называл брожение жизнью без воздуха.

      Спиртовое брожение – это процесс превращения  в анаэробных условиях сахара в диоксид  углерода и этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

      В производстве этилового спирта для пищевых целей используют разное сырьё трёх основных групп: содержащее сахар (сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал ( картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овёс, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу( древесина и сульфитные щелока).

Крахмалосодержащее  сырьё разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зёрен ячменя, или ферментный препарат из грибов рода Aspergillus.

      В зерновом и грибном солоде кроме  амилаз содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотосодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат - сусло.В полученное сусло вносят дрожжи. По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остаётся отход производства – барда, которую используют для получения кормовых дрожжей. Спирт-сырец используют как для технических целей, так и для дальнейшей очистки - ретефикации. Для получения технического спирта используют гидролизаты древесины и другие отходы целлюлозно-бумажной промышленности.

      В производстве пива основным сырьем является ячменный солод. Из солода, воды и хмеля готовят пивное сусло, сусло подвергают брожению специальными видами (расами) пивных дрожжей. Это хлопьевидные дрожжи низового брожения. В процессе получения пива два периода брожения – главное (при температуре 6-10 °C дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар) и дображивание (сливают с дрожжевого осадка и оставляют при температуре около 1°C). Созревшее пиво осветляют, а дрожжи удаляют путём фильтрования или центрифугирования и направляют на розлив.

      В производстве вин исходным материалом служат виноградный и плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Соки сульфитируют (обрабатывают SO₂), а затем подвергают брожению. Применяются специальные расы дрожжей для получения разных сортов вин.

      Молочно-кислое брожение – это превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты. Молочнокислые бактерии широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. Особенно велика их роль в молочной промышленности. Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей, силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовлении ржаного хлеба. В последние годы с положительными результатами ведутся исследования по использованию молочнокислых бактерий при изготовлении некоторых сортов колбас, а также в процессе созревания слабосоленой рыбы для ускорения процесса и придания продуктам новых ценных качеств (вкуса, аромата, консистенции).| Промышленное значение имеет также применение молочнокислого брожения для получения молочной кислоты, которую используют в консервной, кондитерской промышленности и в производстве безалкогольных напитков.

      Пропионово-кислое брожение вызывается пропионово-кислыми  бактериями, относящимися к роду Propionibacterium. Единственным источником энергии для  них является процесс сбраживания разнообразных веществ – моносахаридов (гексоз и пентоз), молочной или яблочной кислоты, глицерина и других, которые превращаются в пропионовую и уксусную кислоты, диоксид углерода и воду. Они широко представлены в молочных продуктах, в почве.

      Практическое использование пропионово-кислого брожения. Оно используется для получения сыров в молочно-сыродельных производствах. Вначале казеин молока подвергают коагуляции под действием сычужного фермента. Затем сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли и оставляют для созревания. В первую фазу созревания в сгустке казеина протекает молочнокислое брожение, при этом лактоза превращается в молочную кислоту. Затем наступает вторая фаза созревания сыров – пропионово-кислое брожение, когда сбраживается образовавшаяся молочная кислота. В результате образуются летучие кислоты – уксусная и пропионовая, придающие сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков диоксид углерода образует «глазки» в сыре. Производство сыра продолжается 2-3 месяца минимум, лучшие сорта выдерживаются почти до года. На больших сыродельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введением мицелиальных грибов, например P.roqueforti при производстве сыра «Рокфор». У пропионово-кислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В12, который накапливается внутри клеток. Эта особенность используется для промышленного получения витамина В12 на отходах производства (молочной сыворотке и др.) с добавлением кукурузного экстракта в качестве витаминов. Пропионовую кислоту используют при хранении зерна и хлеба. В концентрации 0,5% она задерживает рост плесневелых грибов. Зерно, обработанное слабым раствором пропионовой кислоты, не плесневеет даже при повышенной влажности. Пропионовая кислота предотвращает плесневение хлеба. Её вводят в хлеб вместе с тестом.

      Маслянокислое брожение сложный процесс превращения  сахара маслянокислыми бактериями в  анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода. Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты, которая применяется в промышленности. Эфиры масляной кислоты используют как ароматические вещества в кондитерской и парфюмерной промышленности и при изготовлении фруктовых напитков.

      Ацетонобутиловое  брожение близко к маслянокислому, В процессе образуется бутиловый спирт и ацетон, используемые в промышленности.

      Брожение  пектиновых веществ. В природе (в воде, почве) пектиноразрушающие бактерии играют большую роль в процессе разложения растительных остатков. Пектиновое брожение лежит в основе процесса мацерации прядильных растений (льна, конопли) при их водяной мочке.

     Широкое распространение микроорганизмов  свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах.

     Многие  микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных  продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.

     Микроорганизмы  оказывают положительное влияние  на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

 

2. Производства, основанные на получении микробной биомассы. 

Микробная биомасса. Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта.

      Однако  технология производства микробной  биомассы как источника пищевых  белков была разработана только в  начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продуктов ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс – получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

      Получение такого рода веществ послужило основой  для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Микробиологическая промышленность, производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией.

      Промышленные  микробиологические процессы можно  разбить на 5 основных групп: 1) выращивание  микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов;              5) биотрансформация веществ.

      Первым  в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан                       в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

      Фармацевтическая  промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.

      Создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.

      Первым  рекомбинантным белком, полученным в  промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

      Долгое  время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие – повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.

     Биотехнологические  производства, основанные на получении  микробной биомассы:

     Производство  кормового и пищевого белка. Получение белка микробиологическим путём. Дрожжи – основные источники кормовых белковых продуцентов. Производство белка одноклеточных на спиртах, природном газе, углеводородном сырье, целлюлозосодержащих и других субстратах. Обогащение растительного корма белком. Перспективы использования возобновляемого сырья. Перспективы производства пищевого белка. Разработка научных основ переработки и обеззараживания отходов.

     Получение сельскохозяйственных биопрепаратов: бактериальных удобрений, микробиологических средств защиты растений. Энтомопатогенные препараты грибного, бактериального и вирусного происхождения. Поражающее действие энтомопатогенных препаратов: проникновение, размножение в теле насекомого, образование токсинов. Преимущества микробиологических средств защиты растений перед химическими.