Производство аминокислот.

Область применения: кормовые, пищевые добавки, приправы, и фармацевтическая и парфюмерная промышленность. Из 20 аминокислот – 8 (изолейцин, треонин, лейцин, лизин, метионин, триптофан, валин, фенилаланин) незаменимы для человека. Для сельскохозяйственных животных еще гистидин и аргинин. Цистеин предотвращают пригорание пищи, улучшает качество хлеба, усиливает запах пищи. Глицин используется при производстве напитков (обладает сладковатым вкусом). Глутаминовая кислота – для усиления вкуса и консервирования пищи. Ряд аминокислот используют в медицине.

Получение аминокислот возможно химическим синтезом, гидролизом природного белкового сырья и в биотехнологических процессах. Химический синтез дает рацемат – продукт, содержащий как L-, так и D-изомеры, обладающими токсичностью. Получение аминокислот из гидролизатов растительного и животного происхождения связано с многоступенчатой и дорогостоящей очисткой. Биотехнологическое получение аминокислот включает в себя прямую микробную ферментацию, а также микробиологический или ферментативный синтез из предшественников.

Микробиологический метод – наиболее распространенный метод, основан на способности микроорганизмов синтезировать аминокислоты. Биосинтез аминокислот в микробных клетках протекает в виде свободных аминокислот, из которого в процессах метаболизма синтезируются клеточные макромолекулы. Для синтеза белка необходимо 20 аминокислот. Пути синтеза большинства аминокислот взаимосвязаны. При этом одни аминокислоты являются предшественниками для биосинтеза других. Синтез каждой аминокислоты в микробных клетках реализуется в строго определенных количествах, обеспечивающих образование последующих аминокислот и находящихся под строгим генетическим контролем. Контроль осуществляется на уровне генов, ответственных за синтез соответствующих ферментов и на уровне самих ферментов, которые в результатов избытка образующихся аминокислот могут изменять свою активностью. Такой механизм контроля исключает перепроизводство аминокислот и препятствует их выделению из клеток в окружающую среду. Чтобы добиться сверхсинтеза отдельных аминокислот, необходимо изменить данный контрольный механизм их синтеза. Изменение контрольного механизма синтеза аминокислот осуществляется генетическими методами. В результате чего получают мутантные ауксотрофные и регуляторные мутанты. Ауксотрофные – это организмы, утратившие способность к синтезу одной или нескольких аминокислот.

Продуценты аминокислот: различные микроорганизмы родов Bacillus, Mikrobacterium, Brevibacterium и др. Классификация микроорганизмов: дикие штаммы, ауксотрофные штаммы, регуляторные мутанты и ауксотрофные регуляторные мутанты. Промышленные штаммы несут несколько мутаций, затрагивающих механизмы регуляции целевой аминокислоты и ее предшественников.

Для получения аминокислот валина, аланина, глутамина, пролина можно применить природные штаммы и усилить у них продукцию аминокислот условиями ферментации.

Ауксотрофные мутанты используют для синтеза аминокислот, которые являются конечными продуктами разветвленных цепей метаболических реакций аминокислот. Иногда получают мутанты с частично нарушенной регуляцией биосинтеза для увеличения выхода. Такие организмы называются регуляторными мутантами.

Регуляторные мутанты отбирают по устойчивости к аналогам аминокислот. Аналоги аминокислот выступают в роли искусственных ингибиторов ферментов, одновременно обеспечивая биосинтез аминокислот, и подавляют процесс их включения в белки.

Производственные биотехнологические процессы получения аминокислот осуществляются в условиях глубинной аэробной периодической ферментации. Скорость синтеза аминокислот не совпадает во времени со скоростью роста производственной культуры.

Максимальный выход аминокислоты наступает тогда, когда прирост биомассы практически прекращается. Поэтому питательная среда на начальном периоде ферментации должна способствовать сбалансированному росту клеток, а на втором – условия для синтеза целевой аминокислоты. В качестве источника углерода и энергии используют сахаросодержащие субстраты. В качестве источника азота – соли аммония, нитраты, азот. В состав среды входят: углерод, азот, фосфаты, стимуляторы роста (витамины, дрожжевой экстракт), антибиотики, ПАВ. Весь процесс проходит в стерильных условиях. После ферментации клетки отделяют от раствора, который далее очищают от примесей и взвешенных частиц с помощью сорбционных методов, а затем идет процесс разделения и очистки в зависимости от области применения конечного продукта.

Для пищевой, фармакологической промышленности аминокислоты получают в виде кристаллических препаратов; для кормовых и технических целей – используют сконцентрированную культуральную жидкость.

Субстраты 1-го поколения – углеводы.

Для получения белка в промышленных масштабах используют углеродосодержащее сырье – различные отходы пищевой, целлюлозной промышленности, переработки растительного сырья (древесина, солома, торф и др.), которые содержат моно- и дисахара, органические кислоты, спирты, минеральные элементы, то есть представляют сложные многокомпонентные субстраты. В качестве продуцентов ввиду сложности состава субстрата используют штаммы, способные усваивать пентозы и гексозы, и устойчивые к присутствию спиртов, фурфурола и других продуктов гидролиза растительного субстрата. Для этих целей используют дрожжи рода Candida (utilis, scottii, tropicalis). Дрожжи утилизируют углеродосодержащие компоненты гидролизатов в следующей последовательности: глюкоза, уксусная кислота, манноза, ксилоза, галактоза, арабиноза. При совместном выращивании scottii и tropicalis используют две схемы соединения ферментационных аппаратов: двухступенчатая последовательная и параллельно- последовательная.

В первом случае используют неразбавленный гидролизат (сусло) с концентрацией редуцирующих веществ 30-35 г/л. В первом ферментере утилизируется около 70 % редуцирующих веществ, за счет легкоусвояемых гексоз до остаточной концентрации 10-15 г/л. Дрожжи выделяют из суспензии и подвергают дальнейшей обработке до получения готового продукта; а отделенная культуральная жидкость поступает во второй аппарат. В нем оставшиеся пентозы утилизируются другими штаммами дрожжей, селективными по отношению к пентозам.

Во втором случае применяют два последовательно соединенных ферментера. В первый поступает разбавленное сусло с концентрацией редуцирующих веществ около 15-18 г/л, в нем утилизируются гексозы. Затем дрожжевая суспензия идет во второй аппарат для доутилизоции оставшихся сахаров. Общий выход дрожжей достигает при этом 70-80 % по отношению к редуцирующим веществам.

Культивирование проводят в аппаратах эрлифного типа объемом 300-600 м³ с вводом воздуха в нижнюю зону аппарата. В результате насыщения питательной среды воздухом образуется газожидкостная эмульсия, циркулирующая по всему объему, обеспечивающая эффективное перемешивание среды. Рабочий объем составляет около 70 % от общего объема.

Процесс выращивания дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при скорости потока среды, равной 0,2-0,25 ч^-1, pH 4,2-4,6;температура среды 30-35ºС. Отклонение pH в кислую сторону, в ходе ферментации дрожжей автоматически корректируется аммиачной водой. Для отвода тепла используют теплообменники в виде змеевиков. Концентрация суспензии дрожжей 20-40 г/л влажностью 75 % поступает на дальнейшую переработку (ферментация, сепарация, сушка). С целью обогащения дрожжевой биомассы витамином D2 дрожжи облучают ультрафиолетом, в результате чего эргостерин превращается в витамин. Сгущенную суспензию прокачивают по кварцевым трубкам. В составе биомассы дрожжей (%): белок – 43-58, липиды – 2-3, углеводы – 11-23, зола - 11, остаточная влажность – не более 10. Выход составляет 46-48 %. Это соответствует выходу 240 кг АСБ дрожжей с 1 т отходов.

Перспективным является использование новых продуцентов не только дрожжей, но и грибов, бактерий, обладающих высокой скоростью роста и более разнообразным набором аминокислот.

Субстраты 2-го поколения – жидкие углеводороды.

Микроорганизмы утилизируют практически все классы углеводородов (дизельные фракции, жидкие парафины, и другие нефтепродукты). С более высокой скоростью утилизируются углеводороды нормального строения с длиной углеродной цепи С11-С18.

В качестве продуцентов используются дрожжи рода Candida (scottii, maltosa).

Углеводороды проникают в микробные клетки через клеточную стенку по градиенту концентрации, образуя:

спирты → альдегиды → кислоты.

При использовании углеводородов в качестве субстрата допустимое содержание ароматических углеводородов не более 0,01. Парафины не растворяются в воде, поэтому культивирование осуществляется в эмульсии, с размером капель не более 5 мкм. Получается четырехфазная система («газ – жидкость – жидкие углеводороды – микробные клетки»). В среду культивирования вносят макро-, микроэлементы, ПАВ для снятия поверхностного натяжения. Содержание парафинов 3-5 %. Расход воздуха составляет 20-50 м³ на 1 кг АСВ дрожжей.

Процесс получения белка на жидких углеводородах осуществляется в ферментах типа Б-50, представляющих собой 12-секционный аппарат. Каждая секция имеет перемешивающее устройство. В 1-9 секциях идет активный рост при непрерывной подачи субстрата. В остальных подача субстрата прекращается и происходит окисление и доутилизация дрожжами остальных углеводородов. Субстрат при таких условиях полностью утилизируется, отвод тепла идет с помощью теплообменника. Время пребывания культуры в аппарате около 8 ч, pH - 4-4,5, температура – 32-34ºС, производительность процесса – 27 т/сут. Состав готового продукта: протеин – 60 %, жиры – 5 %, углеводы – 10-20 %, зола, влага – 10 %, витамин D – до 4000 м.е. и витамины группы B.

Ограничения: стоимость равна стоимости соевой и рыбной муки, то есть дорого.

Субстраты 3-го поколения – газообразные углеводороды, углекислота, водород.

Перспективными видами сырья для микробного белка принято считать спирты, природный газ, водород. Наиболее перспективные субстраты: C2H5OH, CH3OH.

В качестве продуцентов используются дрожжи (Candida), и бактерии (Pseudomonas, Methylomonas).

Усвоение метанола включает три стадии:

CH3OH → HCOH → HCOOH → СO2

Преимущества метанола: хорошо растворяется в воде, отсутствие канцерогенных примесей, что позволяет легко удалять его остатки из продукта на стадии высушивания, низкое тепловыделение; недостатки: горючесть, образование с воздухом взрывоопасных смесей, токсичность.

Питательная среда содержит: спирт 8-10 г/л, макро- и микроэлементы, витамины, источник азотного питания, дрожжевой экстракт (50 мг/л).

Температура культивирования составляет 34-37ºС, pH – 4,2-4,6. Расход метанола на синтез биомассы составляет около 2,5 т/т. Получаемые на метаноле дрожжи имеют следующий состав (%): протеин – 56-62, липиды – 5-6, нуклеиновые кислоты – 5-6, зола – 7-11, влажность – не выше 10.

Аппараты: струйные, аппараты с жидкой фазой с эжекционными устройствами.

Использование метана. Достоинства: низкая стоимость, доступность, отсутствие примесей ингибирующих рост микроорганизмов, большие выходы биомассы. В качестве продуцентов используют Pseudomonas, Methanomonas, Micobacterium.

CH4 → CH3OH → HCOH → HCOOH → CO2

Недостатки: метан поступает из газовой фазы и имеет низкую растворимость, поэтому скорость растворения его в культуре является лимитирующим фактором, определяющим скорость роста продуцента.

Используют метанотрофы и 5-6 видов гетеротрофов, которые утилизируют продукты неполного окисления метана. Для микробного окисления метана требуется большое количество кислорода (в 5 раз больше, чем на углеводах), поэтому проведение процесса ферментации требует сложного аппаратурного оформления(температура – 34-38ºС, pH - 7). Ввиду взрывоопасности процесс проводят при избытке метана и недостатке кислорода.

Аппараты со струйным диспергированием газовой среды. Степень утилизации субстрата – 95 %.

Биомасса (%): протеин - 75, нуклеиновые кислоты - 10, липиды - 5, зола - 10, влажность – не выше 10.

К перспективным продуцентам белка можно отнести фотоавтотрофные организмы, использующие в качестве углеродного источника углекислоту, а энергии – свет. Процесс прироста биомассы водорослей идет за счет фотосинтеза.

Продуценты: Chorella, цианобактерии рода Spirulina. Они способны фиксировать атмосферный азот. Биомасса Spirulina содержит (%): до 70 белка, полноценного аминокислотного состава, 19 углеводов, 4 нуклеиновых кислот, 4 липидов, 6 пигментов и 5 золы. Клеточная стенка легко переваривается. Биомасса является полноценным пищевым продуктом, содержащий высокий уровень переваримого белка и низкий уровень нуклеиновых кислот.

Использование в качестве продуцента хемолитоавтотрофных микроорганизмов (водорослей), которые используются в качестве источника углерода, утилизируют углекислоту, отличается быстрым ростом, высоким содержанием белка полноценного по аминокислотному составу. Вместе с тем данная технология по ряду показателей имеет ограничения аналогично способу получения белка на метане.

Дата добавления: 2015-07-15