В МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ

СЫРЬЕ И ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ

В МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Важнейшим фактором, влияющим на рост микроорганизмов и биосинтез ими различных биологически активных веществ, является состав питательной среды, а также условия ее приготовления и стерилизации. Производственная питательная среда должна быть полноценной, т. е содержать обоснованный и сбалансированный набор компонентов, необходимых для построения клеточной массы и синтеза целевого продукта. В питательной среде должны присутствовать все элементы, из которых формируется клетка. Состав среды для каждого вида используемого в производстве микроорганизма индивидуален. Универсальной среды не существует.

В технологии микробного синтеза используют разнообразные среды (рис.2.1).

 

 

Рис. 2.1. Классификация производственных питательных сред

Натуральные среды – это комплексные среды неизвестного или неопределенного состава, полученные на основе природных веществ растительного или животного происхождения (молоко, пшеничные отруби, кукурузный экстракт, зерновое сусло, молочная сыворотка и др.). Комплексные натуральные среды используют, в частности, в производстве этанола, ферментных препаратов. Особенность натуральных сред состоит в том, что они сложны и непостоянны по составу, что часто делает их малопригодными для крупнотоннажного производства.

Синтетические среды включают комплекс органических и неорганических химических соединений известной природы, взятых в определенных количествах. Преимущество синтетических сред –постоянство состава и воспроизводимость, отсутствие балластных веществ, затрудняющих получение высокоочищенного целевого продукта. Однако для обеспечения полноценности таких сред необходимо, как правило, вносить микродобавки – факторы роста.

Полусинтетические среды. кроме органических и неорганических веществ известного состава, содержат в определенном количестве компоненты природного происхождения (мелассу. пшеничную муку, кукурузный экстракт и др.). К полусинтетическим средам относят кондиционированные гидролизаты растительных материалов.

Рассмотренное разделение питательных сред условно. Многие специалисты-биотехнологи считают целесообразным строгое разделение сред на синтетические и натуральные, в состав которых входят какие-либо природные продукты или отходы производств.

Основными компонентами питательных сред являются источники углерода, азота, фосфора, микроэлементов, факторов роста. В наибольшем количестве в средах присутствует углеродсодержащий компонент. В производственной практике в качестве источника углерода чаще всего используют углеводы (прежде всего сахарозу, крахмал), а также органические кислоты (уксусная кислота), спирты (этанол, метанол), н-парафины (фракция С₁₁–С₁₈). В асептических производствах (аминокислот, антибиотиков) распространенным компонентом питательных сред является отход свеклосахарного производства – меласса, которая представляет собой сиропообразную жидкость темно-коричневого цвета, содержащую 70–85% сухих веществ (плотность 1300 кг/м³), в том числе 45–50% сахарозы, 50–120 мг/т витамина В₇. В мелассе содержатся аминокислоты, органические кислоты, макро- и микроэлементы. Ресурс мелассы в Республике Беларусь составляет около 1 млн. т в год.

Состав мелассы непостоянен. Качество ее зависит от ряда факторов: климатических условий вегетации свеклы, времени уборки и условий хранения корнеплодов, технологии производства сахара, условий хранения мелассы и др. При длительном хранении мелассы качество ее ухудшается: развиваются микроорганизмы, расщепляются углеводные и белковые компоненты, протекают сахароаминные реакции, повышается температура в хранилище (до 70–90°С), возрастает кислотность, в объеме мелассы скапливаются выделяющиеся газы (СО₂, Н₂, NН₃ и др.), возникает угроза газового выхлопа. Необходимо соблюдать определенные правила при хранении мелассы:

– хранилища перед заполнением тщательно дезинфицируются;

– при сливе мелассы из цистерны допускается минимально необходимый разогрев с последующим охлаждением массы в хранилище;

– осуществляется контроль за температурой мелассы в хранилище;

– предусматривается механическая или пневматическая гомогенизация мелассы при хранении;

– не допускается длительное хранение инфицированной и кислой мелассы с содержанием сухих веществ менее 74%.

При культивировании ауксотрофных мутантных штаммов, дефицитных по аминокислотам, необходимым компонентом питательной среды является кукурузный экстракт – сиропообразная жидкость коричневого цвета (плотность 1200 кг/м³). Получают в крахмало-паточном производстве в результате гидротермической обработки кукурузного зерна при 50°С в течение 40–50 ч. Полученные замочные воды упаривают до содержания сухих веществ 40–50%. Кукурузный экстракт стабилен при хранении широко применяется в микробиологическом синтезе. Является источником азотистых веществ (40–50% от СВ), причем более половины из них представлены аминокислотами. Содержит также белки, витамины (биотин), углеводы, макро- и микроэлементы. Основный недостаток – нестабильность состава.

Аналогом кукурузного экстракта может выступать дрожжевой экстракт, а также гидролизат кормовых или пищевых дрожжей.

В составе питательных сред в качестве источника углеводов часто используется кукурузная мука, содержащая 65–75% крахмала, до 10% других углеводов (клетчатка, пентозаны), 10–12% белка, до 4% жира, 0,8–1% минеральных веществ. Соевая мука входит в состав питательных сред как источник азотистых веществ – белков (до 30% от СВ).

Пшеничные отруби – отход мукомольного производства, являются полноценным сырьем и могут входить в состав питательной среды единственным компонентом. Широко используются в питательных средах для производства ферментных препаратов, а также как наполнитель в различных биопрепаратах кормового назначения. Основными компонентами пшеничных отрубей являются крахмал (16–20%), клетчатка (12–15%), белок (10–12%).

Наряду с рассмотренными компонентами в состав питательных сред входят минеральные соли, содержащие азот, фосфор, калий, магний и другие элементы. Из минеральных азотсодержащих веществ наиболее часто применяют водный аммиак, мочевину и аммонийные соли серной, соляной или азотной кислот. Для биосинтеза многих соединений оказался наиболее пригодным (NH₄)₂SO₄. В результате использования азота микроорганизмами в ферментационной среде накапливаются неассимилируемые анионы кислот, возрастает кислотность среды (по этой причине такие соли называют «физиологически кислыми»). Во избежание закисления предусматривают в составе исходной среды мел в количестве около 1% или корректируют рН среды щелочью в процессе ферментации.

Источником фосфора в питательных средах являются диаммонийфосфат (полностью ассимилируемая соль), а также одно- и двухзамещенные фосфорнокислые соли калия.

Микроэлементы вводят в питательную среду в виде соответствующих солей – сульфатов, реже в виде хлоридов (хлор-ион обладает более высоким коррозионным действием на материал оборудования).

В аэробных ферментационных процессах культуральная жидкость вспенивается в результате интенсивной аэрации. В связи с этим в составе среды предусматривается присутствие пеногасящего вещества (растительные масла, животный жир, синтетические полиэфиры (пропинол Б-400) и др.). Однако в процессе стерилизации питательной среды пеногаситель, обволакивая микробные клетки, повышает их устойчивость к температуре. По современным требованиям пеногаситель дозируют непосредственно в ферментатор по сигналу датчика уровня пены в аппарате.

Потребность микроорганизмов в тех или иных соединениях определяется их физиологическими особенностями. В самом первом приближении потребности микроорганизмов в питательных веществах можно определить по химическому составу биомассы микробной клетки. однако в этом случае не учитываются количество и состав метаболитов, удаленных клеткой во внешнюю среду, а также то обстоятельство, что химический состав клетки зависит от состава среды обитания и варьирует в значительных пределах.

Состав питательных сред формируют по следующей схеме:

 

 

В производстве продуктов микробного синтеза в качестве питательных сред используют жидкие отходы промышленных производств, например, молочную сыворотку, послеспиртовую барду, сульфитный щелок (отход производства целлюлозы сульфитным методом). Перспективно использование гидролизатов растительных материалов, являющихся возобновляемым сырьем.