Производство биомассы

- производство биомассы (например, белок одноклеточных);

- клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д.)

- метаболитов (химические продукты метаболической активности), включая первичные метаболиты, такие как этанол, молочная кислота;

- вторичные метаболиты;

- односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу);

- многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных отходов).

Из биомассы промышленных микроорганизмов можно получать продукты различного назначения, которые имеют важное значение в хозяйственной деятельности человека:

· цистеин, метионин, лизин – повышение питательной ценности белков;

· глутамат – усиление аромата мясных, рыбных и других изделий;

· глицин, аспартат – придание кондитерским изделиям и напиткам кисло-сладкого вкуса;

· аспартам, тауматин, монелин – выработка низкокалорийных, суперсладких веществ;

· a-амилаза – производство спирта, вин, пива, хлеба, кондитерских изделий и детского питания;

· глюкоамилаза – получение глюкозы, удаление декстринов из пива;

· инвертаза – выработка кондитерских изделий;

· пуллуланаза – производство мальтазных (в сочетании с β-амилазой) или глюконовых (в сочетании с глюкоамилазой) фруктозных сиропов из крахмала;

· β-галактозидаза – освобождение молочной сыворотки из лактозы, приготовление мороженого и др.;

· целлюлазы – приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка плодов цитрусовых;

· пектиназа – осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых плодов;

· протеаза микробная – сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров, улучшение качества мяса;

· пепсин, папаин – осветление пива;

· фицин, трипсин, бромелин – ускорение процессов маринования рыбы, отделение мяса от костей;

· липазы – придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшению качества взбитых яичных белков;

· глюкозооксидаза, каталаза – удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, фруктовых соков для их улучшения и удлинения сроков хранения;

· витамины А, D, Е, В₁, В₂, В₆, В₁₂, С, РР – повышение питательной ценности продуктов;

· витамины С, Е – антиоксиданты;

· гераниол, нерол, (терпены) – ароматизаторы;

· уксусная, бензойная, молочная, глюконовая, лимонная, яблочная кислоты – консерванты, ароматизаторы;

· ксантаны – загустители и стабилизаторы кремов, джемов.

Кроме того, биомасса промышленных микроорганизмов используется для получения микробных препаратов (удобрителей почв, стимуляторов и регуляторов роста растений) и микробных полимеров (ферментных белков, иммунобиологических препаратов, интерферонов, антибиотиков, гормонов и т.д.).

Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из животных и растительных источников. В настоящее время источники не покрывают все увеличивающиеся потребности человечества. Так, белки и жиры микроорганизмов заменить белки и жиры традиционного происхождения. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоит в высоком содержании белка в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов.

Термин белок одноклеточных (БОК) был предложен в 1966 г. для обозначения биомассы различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов и водорослей). Микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты. Источниками получения пищевого белка могут стать также белковые изоляты из различных видов зеленой биомассы.

Для получения БОК используют самые разнообразные субстраты: парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства.

Для промышленного использования перспективными являются термофильные микроорганизмы. Качество биомассы оценивается по высокому содержанию белка, низкому содержанию нуклеиновых кислот и отсутствию вредных веществ.

Рассмотрим промышленное производство биомассы на примере получения хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей используют специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При отборе культуры принимают во внимание способность дрожжей сбраживать тесто, они должны обладать хорошей подъемной силой и ферментативной активностью, хорошо расти на мелассной среде в условиях глубинной ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в прессованном виде.

Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной активностью, но чтобы направить использование углеводов субстрата только на образование биомассы, спиртовое брожение ограничивают. Это достигается интенсивной аэрацией среды, а также поддержанием низкой концентрации сахара в ней (0,5-1,5%). При высокой концентрации сахаров наблюдается катаболитная репрессия ферментов цикла Кребса и переключение энергетического метаболизма преимущественно на брожение. Чтобы избежать этого, сахар в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей скоростью притока. Чтобы предотвратить чрезмерное размножение побочной микрофлоры, особенно так называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых выше, чем у хлебопекарных дрожжей, процесс ферментации обычно ведут по периодической схеме в течение 10-20 ч.

Товарные дрожжи получают в три этапа. Сначала размножают первый посевной материал (задаточные дрожжи), затем вторые задаточные дрожжи и из них получают товарные дрожжи. Получение первых задаточных дрожжей идет без притока среды; длительность процесса 6-7 ч. На втором этапе стремятся полностью исключить спиртовое брожение, поэтому дрожжи выращивают в условиях очень интенсивной аэрации, лимитируя концентрацию сахара в среде, по проточному методу культивирования. Чаще всего длительность этого этапа 10 - 12 ч. Последний этап производства товарных дрожжей длится 10 - 24 ч. Биомассу дрожжей отделяют от культуральной жидкости, используя сепарирование, в три этапа, при двукратной промывке суспензии клеток водой для удаления остатков среды, бактерий и примесей. Получают концентрат дрожжей, содержащий 80 - 120 г/л сухой биомассы. Его охлаждают до 8 - 10 °С, фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах и получают дрожжевую пасту с 70-75%-ной влажностью. После кондиционирования пасты водой до стандартной (75%) влажности, дрожжи фасуют в плитки массой 50, 100, 500, 1000 г и упаковывают. Хранят прессованные дрожжи при температуре 0 - 4 °С до 10 суток. Хлебопекарные дрожжи можно высушивать при температуре 30-40°С до влажности 8% и хранить до 6 мес.

Кормовые дрожжи получают с помощью Candida и Trichosporon. Выбирая культуру, надо следить, чтобы скорость ее роста в соответствующей среде была максимальной, в состав биомассы входило бы много белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях была вирулентной (могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой).

Кормовые дрожжи получают из доступных, дешевых, содержащих углерод видов сырья:

· углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);

· природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности – барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);

· углеводороды (нефть, парафины, природные газы).

При производстве кормового белка не требуется получение жизнеспособной микробной массы, поэтому требования при выделении клеток более просты.

Живая биомасса молочнокислых бактерий, которая широко используется в молочной промышленности, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и в ветеринарии, называется молочнокислые закваски. Кроме этого, живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.