Биологические процессы, используемые в технологии

Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Научные же основы биотехнологии были заложены в ХIХ веке французским ученым А. Пастером (1822-1895), положившим начало микробиологии.

Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных.

К важнейшим процессам биотехнологии относятся брожение, (ферментация), микробиологический синтез (промышленная биотехнология), термическая обработка и др. Новые же направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине ХХ столетия, значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве при выведении, например, безвирусных растений, получении кормов и т.п.

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, например, нормальном давлении), с меньшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно применение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов. Они же лежат и в основе пищевой промышленности.

Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она описывает уникальные возможности практического использования результатов исследований в этой области. Она же стремительно выдвигается и на передний край научно-технологического прогресса. Этому способствует два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой стороны наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды. Биотехнология практически уже вносит немалую лепту и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества.

Брожение

Брожение (ферментация) – процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влияние микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться в организме животных, растений и многих микроорганизмов как с участием кислорода (аэробный), так и без участия молекулярного кислорода (анаэробный процесс).

Известны различные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или, чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Как сказано выше, одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийно расщепляющиеся в анаэробных условиях под действием ферментов и с участием фосфорной кислоты до пировиноградной кислоты:

ОН

С₆Н₁₂О₆ . . . ® СН₃ – С – С (3.7)

О

До этой стадии при действии ферментов дрожжей на глюкозу и в мышцах с участием глюкозы происходит одни и те же реакции. Далее процессы ферментации протекают уже различно. Спиртовое брожение осуществляется в основном с помощью дрожжей ряда Saccharomyces и бактерии ряда Zimomonas по схеме:

ОН

СН₃ – С – С ® . . . С₂Р₅ОН (3.8)

О О этиловый спирт

Этот вид брожения также протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (в основном из зерна ржи)

для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.

В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности дыхания (реакция, обратная реакция фотосинтеза).

Видоизмененным типом спиртового брожения является глицериновое брожение.

Молочнокислое брожение вызывается бактериями (Lactobacillus и Streptococcus). При гомоферментативном типе брожения молочная кислота образуется непосредственно из пировиноградной кислоты (промышленный синтез молочной кислоты).

Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве).

Пропионово-кислое брожение протекает под действием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

Масляно-кислое брожение осуществляется бактерией ряда Clostridium по схеме:

ОН О

СН₃ – С – С ® . . . СН3-СН2-СН2-С (3.9)

масляная кислота ОН

О О

Из промежуточных продуктов некоторые маслянокислые бактерии синтезируют бутанол, ацетон и изопропинол.

При использовании маслянокислых бактерий Clostridium Kluyreri возможен синтез масляной кислоты из этанола и уксусной или пропиновой кислот.

Маслянокислое брожение приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.

Метановое брожение начинается с разложения сложных веществ, например целлюлозы, до одно- или двухуглеродных молекул (СО₂, НСООН, СН₃СООН и др.), которое осуществляют микроорганизмы, живущие в симбиозе (сожительство) с метанообразующими бактериями. Последние и синтезируют метан.

В природе метановое брожение встречается в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод.

Образующиеся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.

Под действием некоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродный скелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному из таких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислое брожение) под действием т. н. уксуснокислых бактерий.

Несмотря на то, что ферментация осуществляется живыми клетками, она, однако, основана на биохимических превращениях исходного субстрата (сырья) под действием биологических катализаторов – ферментов (отсюда и ферментативные процессы). При температурах не более 60 – 70 ⁰С и нормальном атмосферном давлении ферменты обладают высокой специфичностью к отдельным субстратам. Их применяют в текстильной, кожевенной, пищевой промышленности, при производстве кормов, в тонком органическом синтезе, в т. ч. при производстве антибиотиков.