Виробництво біомаси

У наш час існують такі основні типи біопроцесів:

– виробництво біомаси (наприклад, білок одноклітинних);

– клітинних компонентів (ферменти, нуклеїнові кислоти й т.д.)

– метаболітів (хімічні продукти метаболічної активності), включаючи первинні метаболіти, такі як етанол, молочна кислота;

– вторинні метаболіти;

– односубстратні конверсії (перетворення глюкози у фруктозу);

– багатосубстратні конверсії (обробка стічних вод, утилізація лігноцелюлозних відходів).

Людина традиційно одержує білки, жири й вуглеводи (основні компоненти їжі) із тваринних і рослинних джерел. Уже сьогодні ці джерела не покривають всі потреби людства. З'ясувалося, що білки й жири мікроорганізмів з успіхом можуть замінити білки й жири традиційного походження. Переваги мікроорганізмів як продуцентів білка заключаються у високому вмісті білка в біомасі й високій швидкості росту мікроорганізмів.

Термін білок одноклітинних (БОК) був запропонований у 1966 р. для позначення біомаси різних мікроорганізмів (бактерій, дріжджів, грибів і водоростей). Крім високого вмісту білка мікробна біомаса містить також жири, нуклеїнові кислоти, вітаміни й мінеральні компоненти. Джерелами одержання харчового білка можуть бути також білкові ізоляти з різних видів зеленої біомаси, у тому числі й з тютюну.

Для одержання БОК використовують найрізноманітніші субстрати, включаючи алкани нафти, метан, водень, метанол, етанол, оцтову кислоту, вуглекислий газ, молочну сироватку, мелясу, крохмаль і целюлозовмісні відходи промисловості й сільського господарства.

Для промислового використання перспективними є термофільні (ростуть при високих температурах до 50 С) мікроорганізми. Якість біомаси оцінюється за високим вмістом білка, низьким вмістом нуклеїнових кислот і відсутністю шкідливих речовин.

Як приклад промислового виробництва біомаси можна привести одержання хлібопекарських дріжджів. У виробництві хлібопекарських дріжджів використовують спеціально відібрані раси Saccharomyces cerevisiae. При доборі культури за основу приймають здатність дріжджів зброджувати тісто, вони повинні мати гарну піднімальну силу й ферментативну активність, добре рости на мелясному середовищі в умовах глибинної ферментації й давати високий вихід біомаси. Клітини дріжджів повинні легко відокремлюватися від культуральної рідини сепаруванням або фільтрацією й добре зберігатися в пресованому виді. Піднімальну силу дріжджів виражають у хвилинах, протягом яких певна кількість дріжджів розвиваючись у певній кількості тіста, збільшує його обсяг на передбачену стандартом величину. Для гарних дріжджів піднімальна сила не повинна перевищувати 75 хв.

Хлібопекарські дріжджі володіють і бродильною активністю, але щоб направити використання вуглеводів субстрату тільки на утворення біомаси, спиртове бродіння обмежують всіма доступними методами. Це досягається інтенсивною аерацією середовища, а також підтримкою низької концентрації цукру в ньому (0,5 – 1,5%). При високій концентрації цукру спостерігається катаболітна репресія ферментів циклу Кребса й перемикання енергетичного метаболізму переважно на бродіння. Щоб уникнути цього, цукор у середовище подають безупинно з постійною або зростаючою швидкістю. Щоб запобігти надмірному розмноженню побічної мікрофлори, особливо так званих диких дріжджів, питома швидкість росту яких вища, ніж у хлібопекарських дріжджів, процес ферментації ведуть за періодичною схемою протягом 10 – 20 год.

Товарні дріжджі одержують у три етапи. Спочатку розмножують перший посівний матеріал (завдаткові дріжджі), потім другі завдаткові дріжджі й з них одержують товарні дріжджі. Одержання перших завдаткових дріжджів відбувається без додаткового додавання середовища; тривалість процесу 6 – 7 год. На другому етапі прагнуть повністю виключити спиртове бродіння, тому дріжджі вирощують в умовах дуже інтенсивної аерації, лімітуючи концентрацію цукру в середовищі, за проточним методом культивування. Найчастіше тривалість цього етапу 10 – 12 год. Останній етап виробництва товарних дріжджів триває 10 – 24 год. Біомасу дріжджів відокремлюють від культуральної рідини, використовуючи сепарування, у три етапи, при дворазовому промиванні суспензії клітин водою для видалення залишків середовища, бактерій і домішок. Одержують концентрат дріжджів, який містить 80 – 120 г/л сухої біомаси. Його прохолоджують до 8 – 10°С, фільтрують на вакуум-фільтрах або фільтр-пресах й одержують дріжджову пасту з 70 – 75%-ною вологістю. Після кондиціонування пасти водою до стандартної (75%) вологості, дріжджі фасують у плитки масою 50, 100, 500, 1000 г й упаковують. Зберігають пресовані дріжджі при температурі 0 – 4°С до 10 діб. Хлібопекарські дріжджі можна висушувати при температурі 30 – 40°С до вологості 8% і зберігати до 6 місяців.

Кормові дріжджі одержують за допомогою мікроорганізмів виду Candida й Trichosporon. Вибираючи культуру, потрібно стежити, щоб швидкість її росту у відповідному середовищі була максимальною, до складу біомаси входило б багато білків, вітамінів, щоб культура в певних умовах була вірулентною (могла конкурувати із супутньою мікрофлорою). Кормові дріжджі одержують із доступної, дешевої, карбонвмісної сировини: вуглеводвмісна сировина (гідролізати деревних і сільськогосподарських відходів, меляса, сульфітний луг целюлозної промисловості); природні й синтетичні субстрати, які містять органічні кислоти, спирти й інші окислені сполуки карбону (відходи спиртової промисловості, відходи виробництва синтетичних миючих засобів й ін.); вуглеводні (нафта, алкани, природний газ).

При виробництві кормового білка не потрібне одержання життєздатної мікробної маси, тому вимоги при виділенні клітин більш прості.

Жива біомаса молочнокислих бактерій, які широко використовується в молочній промисловості, у харчовій промисловості, у сільському господарстві й у ветеринарії, називається молочнокисла закваска. Окрім цього, живі клітини мікроорганізмів використовуються для одержання бактеріальних добрив, мікробних інсектицидів.