Очистка стоков и выбросов 2 страница

По отношению к кислородуразличают аэробную, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию — по аналогии с классификацией самих микроорганизмов.

Анаэробные процессы. Реакторы для анаэробных процессов не имеют приспособлений для аэрирования среды. Однако некоторые из этих процессов протекают с потреблением газообразных субстратов — водорода, метана, поэтому приходится применять барботер и другие приспособления для подачи газа в жидкость. Например, установка для бактериальной денитрификации воды (ее очистки от нитратов и нитритов), функционирующая в анаэробных условиях, включает приспособление для обеспечения водородом. Перемешивание среды в ходе анаэробных процессов осуществляется низкоскоростной механической мешалкой или созданием тока жидкости по циркуляционному контуру. В зависимости от того, насколько строго следует придерживаться анаэробных условий, применяют конструкционные детали, предохраняющие среду культивирования от контакта с кислородом.

Упрощение конструкции аппаратов при ведении процессов в анаэробных условиях, естественно, ведет к их удешевлению — фактор, побуждающий отказываться от аэробных процессов в пользу анаэробных, в частности, при очистке сточных вод. В то время как аэробное расщепление органических субстратов ведет к их полному «сжиганию» до СО₂ и Н₂О, в анаэробных условиях микроорганизмы образуют ценные низкомолекулярные продукты — спирты, ацетон, органические кислоты. Внимание биотехнологов к анаэробным процессам повышается в связи с дефицитом нефти и природного газа.

Поверхностное культивирование биообъектов в жидкой питательной среде вблизи раздела фаз газ — жидкость — распространенный метод, хотя и уступающий по эффективности синтеза целевого продукта глубинному методу культивирования. Однако метод остается в ходу применительно к процессам, сопровождающимся накоплением внеклеточных продуктов в культуральной среде или зависящих от контакта между организмом и воздушной средой. Такой контакт требуется для мицелиальных грибов при переходе к определенным стадиям развития. Экономический выигрыш связан с относительной простотой изготовления и эксплуатации биореакторов.

23.Характеристика биопроцессов в зависимости от целевых продуктов: первичные и вторичные метаболиты, биомасса как целевой продукт.

Чаще всего целевой продукт находится либо в самой биомассе, либо в жидкости. В обоих случаях необходимо сначала разделить эти две фазы. В зависимости от свойств биомассы и жидкости для них целей могут быть использованы различные процессы.

Отстаивание — разделение под действием гравитационных сил (обычно при очистке сточных вод).

Фильтрация— пропускание суспензии через фильтрующий материал, на котором задерживаются частицы твердой фазы — биомасса. Такой способ применяют в производстве антибиотиков, особенно в тех случаях, когда микроорганизм-продуцент имеет мицелиальный характер.

Сепарация, центрифугирование—разделение под действием центробежных сил. Наиболее часто используется для отделения дрожжей или бактерий в производстве кормовой биомассы.

Микрофильтрация, ультрафильтрация - через мембраны с весьма малым размером пор, удержание клеток микроорганизмов на мембране и получение створа, свободного от взвешенных клеток. Ультрафильтрация задерживает уже не только клетки, но и крупные молекулы.

Коагуляция - добавление в суспензию реагентов, способствующих образованию и осаждению более крупных клеточных агломератов и отделению их от жидкости путем отстаивания.

Флотация - захват биомассы микроорганизмов пузырьками пены и выделение ее из пенной фракции.

ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ БИОСИНТЕЗА. Эта стадия имеет определенные отличия, связанные с тем, являются продукты внеклеточными или внутриклеточными.

Так, для внутриклеточных продуктов сначала необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов, среди которых можно назвать следующие.

Дезинтеграция клеток. Этот процесс разрушения клеточной оболочки может осуществляться физическими методами (с помощью мелющих тел, путем замораживания и продавливания, воздействием ультразвуком, методом декомпрессии — резкого сброса давления, или химическими и биотехнологическими методами.

Пиролиз — разрушение клеточных оболочек пол действием химических реагентов и температуры.

Ферментолиз — разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.

Автолиз — разновидность ферментолиза, когда используют собственные ферменты клетки.

После проведения предварительной операции разрушения клеток, выделение целевого продукта осуществляется из раствора методам и, которые являются общими для внеклеточных и внутриклеточных продуктов.

Экстракция — переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Наиболее известно выделение жироподобных веществ жидкими углеводородами (типа бензина), но применяются и многие другие виды экстрагентов (хлороформ, эфир, бутилацетат). Экстракция прямо из твердой фазы (в том числе и биомассы микроорганизмов) называется экстрагированием.

Осаждение — выделение целевого продукта путем добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворенным продуктом и переводящего его в твердую фазу.

Адсорбция — перевод растворенного в жидкости продукта в твердую фазу путем его сорбции па специальных твердых носителях (сорбентах).

Ионный обмен - то же, что адсорбция, но в этом случае в твердую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.

Отгонка, ректификация — эти методы используют для выделения растворенных в культуральной жидкости легкокипящих продуктов. Пример — этиловый спирт.

Ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинуклеотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделять даже небольшие по размеру молекулы.

Центрифугирование, ультрацентрифугирование используют для выделения вирусов, клеточных органелл, высокомолекулярных соединений.

24.3начение асептики в биотехнологических процессах. Методы стерилизации, используемые в биотехнологическом производстве.

Асептика (от греч. А - не, нет, septos - гниение) - это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение попадания в среду (объект) посторонних микроорганизмов, включая болезнетворные. Следовательно, асептика в биологической технологии и. например, в хирургии - это не одно и то же понятие. В первом случае предполагают использование какого-либо биообъекта (в том числе - микроба) и полное исключение попадания других микроорганизмов, являющихся загрязнителями. Во втором случае стремятся исключить любую возможность попадания патогенных микробов и микробов-контаминантов на операционное поле или в рану.

Каждый из материальных потоков в биотехнологических процессах - потенциальный источник микробов - контаминантов.

Асептика может включать влажную уборку помещений, обработку их ультрафиолетовыми лучами, антисептическими средствами, использование стерильных инструментов, сред, технологической одежды, подачу стерильного воздуха (столы с ламинарным потоком стерильного воздуха в боксированных помещениях, поступление в ферментатор стерильного воздуха через барботер - от франц. barbotage - перемешивание) и пр. Следовательно, комплекс мер, обеспечивающих асептику биотехнологических процессов, включает: механическую, физическую, химическую защиту биообъекта и среды его обитания, а при необходимости - и конечный продукт. К механической защите относятся: удаление механических примесей, например, из воздуха, культиваторов, герметизация оборудования, изоляция узлов и соединений; к физической - обработка воздуха и поверхностей приборов и аппаратов ультрафиолетовыми лучами, кипячение, стерилизация паром под давлением, обработка ультразвуком; к химической - обработка поверхностей химическими антисептиками.

В производственных условиях источниками микробов-контаминантов могут быть почва, вода, окружающий воздух, люди. Из почвы в сферу биотехнологических процессов попадают спорообразующие палочки-бациллы, конидии грибов, актиномицеты; эти же микроорганизмы с пылью могут попасть в воздух, через посредство которого они способны проникнуть в среду выращивания биообъекта или в конечный продукт производства.

Качественный состав и размеры частиц в воздушной пыли колеблются в широких пределах, В производственных помещениях это зависит от конструкционных особенностей здания, розы ветров, географической зоны расположения города и предприятия, наличия или отсутствия потоков автомобильного и другого транспорта, количества непосредственно занятых в технологическом процессе людей, характера и локализации складских помещений и т.д.

Образующиеся пыль и капельки влаги в воздухе, как правило, содержат на своей поверхности слой адсорбированного воздуха и большее или меньшее количество микроорганизмов. Газовая оболочка предохраняет частицы от смачивания. Такие частицы представляют собой дисперсную фазу аэрозоля. устойчивость которой зависит от размеров (величины) частиц, их электрического заряда и поверхностной энергии. Необходимо помнить, что в случае нахождения на частицах аэрозоля микробных клеток их отрицательный электрический заряд будет приносить свою долю в общий заряд частицы. Опираясь лишь на величину аэрозоля, содержащего микроорганизмы, можно выделить три фазы его: крупноядерную (диаметр частиц более 100 мкм), мелкоядерную (диаметр частиц менее 100 мкм) и фазу бактериальной пыли (диаметр частиц от 1 мкм до 100 мкм). Частицы крупноядерной фазы в течение нескольких секунд оседают из воздуха, тогда как частицы двух других фаз могут длительно находиться в воздухе, образуя устойчивую коллоидную систему.

Бактериальная пыль может формироваться из первых двух фаз после их высыхания и повторного попадания в воздух. В разряд частиц с диаметром от 0,001 мкм до 1 мкм подпадают вирусы и некоторые бактерии. Аэрозоли могут быть вредными и для человека не только из-за микробов, находящихся на частицах пыли или капельках жидкости, но и сами по себе вследствие проникновения в альвеолы дыхательной системы с последующим расстройством ее функций. В таком понимании вредными являются следующие аэрозольные частицы: асбеста, алебастра, абразивного порошка, графита, гипса, диоксида титана, дорожной пыли, извести, каолина, корунда, карбида кремния, мрамора, оксида олова, стекловолокна. В альвеолы проникают частицы размером менее 3 мкм при скорости потока вдыхаемого воздуха уже около 1 см/с.

По степени загрязненности воздуха микробами и механическими частицами в расчете на 1м³ производственные помещения, в которых асептично изготавливают лекарственные средства, классифицируют по классам следующим образом:

1-й класс чистоты с ламинарным потоком стерильного воздуха - для изготовления стерильных лекарств - не должно быть микробов, а механических частиц размером до 0.5 мкм - не более 3500;

2-й класс чистоты - до 50 микробных клеток, до 2500 частиц размером 5 мкм и до 350000 частиц размером 0.5 мкм;

3-й класс чистоты - до 100 микробных клеток (ЗА класс - до 200 и ЗБ класс - до 500 клеток), до 25000 частиц размером 5 мкм и до 3500000 частиц размером 0,5 мкм;

4-й класс чистоты - по ГОСТ 12.1.005 - 86.

Для помещений 2-го и 3-го классов чистоты, в которых изготавливают нестерильные лекарственные средства, нормирование воздуха по содержанию механических частиц не предусматривается.

Лекарственные средства по «микробной чистоте» разделяют на 4 категории:

1) стерильные препараты для инъекций, приготовленные на апирогенной воде;

2) глазные лекарства, препараты для введения в закрытые полости тела, средства для лечения обширных ожогов и открытых ран не должны содержать живых микроорганизмов - они также относятся к разряду стерильных;

3) лекарственные средства для наружного применения и для введения в открытые полости не должны содержать более 100 живых микробныхклеток в 1 г (мл) препарата и при безусловном отсутствии в них бактерий, относящихся к семейству Enterobacteriaceae, а также Pseudomonas aeruginosae и Staphylococcus aureus;

4) все прочие лекарственные средства должны содержать в 1 г (1мл) не более 1000 жизнеспособных бактериальных клеток сапрофитов и не более 100 клеток непатогенных грибов при отсутствии болезнетворных и условно патогенных микроорганизмов, включая энтеробактерии, Pseudomonas aeruginosae и Staphylococcus aureus, аспорогенные дрожжи рода Candida.

25.Аппаратурное оснащение процессов выделения и очистки продуктов микробного синтеза.

На стадии выделения продукта главная задача — отделить основную часть продукта, пусть даже и с некоторыми примесями. Получается как бы неочищенный продукт. Поэтому, когда необходимо получать биопродукты высокой кондиции, добавляют еще стадию очистки продукта. Задача этой стадии — убрать примеси и сделать продукт максимально чистым.

Эта задача решается с помощью разнообразных процессов, в которых многие из тех, что уже были рассмотрены ранее (экстракция и экстрагирование, адсорбция, ионный обмен, ультрафильтрация и обратный осмос, ректификация и ферментолнз). Кроме этих процессов используют и следующие.

Хроматография— процесс, напоминающий адсорбцию. На твердом сорбенте собираются растворенные вещества, но не одно, а несколько, часто близких по структуре. Например, смеси белков, нуклеотидов, сахаров, антибиотиков. При адсорбции они и абсорбируются вместе. А вот при хроматографии они выходят из сорбента как бы по очереди, что и позволяет их разделять и, значит, очищать друг от друга.

Диализ— процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются. Путем диализа осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.

Кристаллизация.Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах. Медленное охлаждение позволяет формировать кристаллы из растворов целевых продуктов, причем чистота их обычно очень высока. Вся «грязь» остаётся в маточном растворе. Таким образом, например, получают кристаллы пенициллина.

Можно даже получить еще более чистый продукт, если кристаллы растворить в воде или растворителе, а потом снова кристаллизовать (т. е. провести процесс перекристаллизации).

26. Основные технологические схемы выделения целевого продукта в зависимости от его локализации. Примеры.

26.Схемы выделения целевого продукта в биотехнологическом производстве существенно различаются в зависимости от того, накапливается продукт в клетке или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является сама клеточная масса (общая схема выделения на рис 1). Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить (дезинтегрировать) и далее целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток. Выделение продукта облегчается, если он высвобождается (экскретируется) продуцентом в культуральную жидкость.

Предварительная обработка

сепарация

дезинтеграция

экстракция

экстракция, хроматограция, центрифугирование

хроматограция, центрифугирование,

электрофорез

Рисунок 1. Общая схема выделения БАС на заключительной стадии биотехнологического производства.

Одним из первых этапов на пути к очистке целевого продукта является разделение культуральной жидкости и биомассы - сепарация. Иногда сепарации предшествует специальная обработка культуры - изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков. Существуют различные методы сепарации (флотация, центрафугирование, фильтрование), которые будут подробно рассмотрены в соответствующих разделах.

В данном разделе остановимся на методах гомогенизации (дезинтеграции) клеток или других образцов животного и растительного происхождения.

27. Основные принципы культивирования микроорганизмов. Характеристика.

Принципы культивирования микроорганнзмов. С момента внесения микробов (засева) в питательную среду имеет место индукция их физиологической активности, особенно — в логарифмическую и/или стационарную фазы размножения. При этом одновременно сопряженно протекают многие реакции, катализи-руемые иммобилизованными или свободными ферментами. В реакции, особенно — на первых зтапах, нередко вовлекаются высокомолокулярные вещества с определенной конфигурацией молекул (сравнить такие источники утлерода как глюкоза и крахмал или источники азота—аммония сульфат, какая-либо аминокислота и нативный белок). Поэтому следует учитывать специфику выращивания микроорганизмов.

Главные особеиности культивирования микробов в целях получения большинства первичиых и вторичных метаболитов следующие;

1) необходимость применения специальных биореакторов вместимостью 63, 200, 1000 и более м³, в которых возможно поддержание асептических условий в течение сравнительно длительного времени;

2) видовые различия биообъектов, с которыми связаны специфические характеристики питательных сред, кардииальные точки (минимальные, оптимальные и максимальные) температуры и рН;

3) невозможность одновременного поддержания постоянства критериев химического, теплового, диффузионного и гидродинамического подобия, с чем связаны трудности масштабирования биотехнологических процессов;

4) различия в массообмеиных процессах у аэробов и анаэробов — культивирование аэробов осуществляют в трехфазных системах ["твердое тело (клетки)-жидкость-газ"], анаэробы выращивают в виде двухфазных систем ["твердое тело (клетки)-жидкость"];

5)необходимость неремешивания культуральньгх жидкостей в целях улучшения массообмена (кислорода воздуха для аэробов — прежде всего), а это, в свою очередь, индуцирует пенообразование и, как следствие, диктуетнеобходимость прибегать к пеногашению;

6) микроорганизмы чувствительны к воздействию механических, физических и химических факторов;

7) при микробном синтезе целевых лродуктов имеют место индукция, активация, ингибирование, репрессви и некоторые дру-гие регуляториые процессы, усложняющие в целом регуляцию размножения продуцсита и биосинтез им конечного продукта;

8) скорость биосинтеза целевых продуктов более медлеиная по сравнению со скоростями химического синтеза;

9) отдельные виды микроорганизмов, используемых в биотех-нологических процессах, являются болезиетворными и работа с ними должна проводиться с особой тщательностью (дифтерийные и столбнячные палочки, микобактерии туберкулеза, холерный вибрион и др.);

10) некоторыс представители микробного мира должны культивироваться только на (в) живых тканях/клетках (куриные эмбрионы, клетки человека и животных и т. д.); к таким представителям можно отнести вирусы, риккетсии.

Любой биотехнологический процесс реализуют условно в два этапа. Первый из них — предферментация, когда необходимо выполнить все подготовительные работы для реализации второго зтала — ферментации, то есть накопить и выделить целевой продукт.

Предферментация

Это этап включает подготовку питательных сред, биообъекта, воздуха для аэробов и биореактора. Компоненты питательных сред подбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией того или иного источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит при учете расхо-дуемой (выделяемой) энергии. Обычно качественный и количественный составы питательных сред указаны в регламентной документации.

Питательные среды, испольэуемые на подготовительном этапе, могут несколько отличаться от среды, применяемой на втором этапе. Так, например, при пересеве лиофильно высушенной ма-точной культуры обычно рекомендуют обогащенные питательными ингредиентами жидкие среды. Последующие пересевы осуще-ствляют вначале на агаризованную ферментационную среду, а затем — на жидкую.

На всех этапах подготовки биообъекта питательные среды перед их засевом должны быть сгерильными. Биообъект, или промышленный штамм в идеале должен удовлетворять основным требованиям:

1) стабильность структурно–морфологических признаков и физиологической активности при длительных хранении и эксплуатацйи в производстве;

2) повышенные скорости роста и биосинтеза целевого(-ых)продукта(-ов) в лабораторных и проигтодственных условиях;

3) достаточно широкий диапазон устойчивости к воздействию неблагоприятных внешних факторов (колебания температуры, рН, аэрация, перемешивание, вязхость срсды);

4) умереиная требовательность к ограниченному числу источников питания; чем более широкий набор источников углерода, азота и других элементов может использовать проиэводственный штамм, тем легче его культивировать и с большей экономической выгодой.

В действительности каждыЙ штамм имеет свои особенности и не по всем показателям отвечает вышелеречисленным требованиям. Как правило, чем богаче усвояемыми ингредиентэми питательная среда, тем лучше растет и метаболизирует на(в) ней микроорганизм. Уже многие годы используют кукурузный экстракт в качестве добавки к питательным средам, поскольку он богат не только источниками углерода и азота, но также микроэлемеитами и витаминами. Сухие вешества в нем составляют 45—55%, в их состав входят зольные вещества —. 1,5—4,5%.

Не менее часто применяют дрожжевой экстракт из клеток Saccharomyces cerevisiae, богатый различными веществами —аминокислотами (аргинином — 5%, валином — 5,5%, гистидином — 4%, изолейцином — 5,5%, лейцином — 7,9%, лизшюм — 8,2%, метионином — 2,5%, тирозином — 5%, треонином — 4,8%, трипто-фаном — 1,2%, фенилаланином — 4,5%, цистином — 1,5%) и витаминами (биотином — 0,06%, инозитом — 0,3%, кальция пантотенатом — 0,01%, кислотой р-аминобензойной — 0,016%, кислотой никотиновой — 0,059%, кислотой фолиевой — 0,001%, пиридоксина монохлоридом — 0,002%, рибофлавином — 0,01%, тиамина монохлоридом - 0,017%, холянхлоридом — 0,27%) в расчете на сухое вещество. К тому же в биомассе клеток дрожжей содер-жится до 50% белков.

Вместо экстракта можно лобавлять автолизат или гидролизат дрожжей.

Объемное и дозирующее оборудование для измерения, транспортировки и загрузки биореакторов аналогично оборудованию, применяемому, например, в пищевой (или вхимической) промыш-ленности: различных типов весы, насосы (например, вакуумные), транспортеры (ленточные, шнековые), элеваторы, контейнеры и др. Газообразные и жидкие продукты обычно подают в биореакторы по системам стерильных трубопроводов. В крупномасштаб-ном производстве питательиыс среды и некоторые их компоненты стерилизуют нагреванием и/или фильтрованием чсрсз пористые мембраны. Тепловая стерилизация может быть периодической и непрерывной; в биотехнологии применяют оба вида стерилизации.

В случае получения лекарствениых средств, например, антибиотиков для парентерального введения, необходима исключительно высокая степень стерильиости питательных сред и целевых про-луктов. При этом необходимо стремиться снизнть, например, вероятность выживания бактериальиых спор до всличииы менее 10^–12, исходя из уравнения:

Понятно, что перед засевом биообъекта стерильными должны быть и питательная среда и биореакторы. Стерилизацию биореакторов часто проводят одновременно со стерилизацией питательной среды в них.

Подготовку биообъектов проводят согласно прилагаемым к регламентам инструкциям. В заводской или цеховой лаборатории должна быть подготовлена культура для последующей наработки инокулюма (инокулята), или поссвного материала. В этих целях исходный штамм микроорганизма, сохраняемый в условиях, близ-ких к анабиозу или анабиоза (высушенным в стерильной почве, песке, на пшене, путем лиофилизации, или сублимационной суш-ки) оживляют прсле добавления стерильной жидкой питательной среды с последующим высевом на уплотненную питательную среду. Убедившись в подлинности и чистоте культуры (культура называется чисток, если родительские и дочерние клетки в ней практически неразличимы и между ними нельзя установить род-ственные связи), операции по пересеву штамма на среду возраста-ющих объемов (площади) повторяют нссколько раз и проводят в асептических условиях, переходя от пробирок к колбам, помещаемым на качалочные устройства (шотгель-аппараты).

Последующую подготовку биооб-ьекта осуществляют в цсхе, используя неболыиие ферментаторы-инокуляторы, в которых наращивают посевной материал ддя промышленных ферментаций. При этом одноклеточные культуры чаще доводят до середины — окончания Log-фазы, то есть когда клетки делятся синхронно. Известно понятие степень синхронизации, то есть степень участия клеток популяции в синхронном делении (О.Шербаум, 1959—1960), выражающаяся в индексе синхронизации (Is):

При необходимости синхронизацию деления можно индуцировать, например, метаболическим шоком (предварительный посев культуры на голодные среды), температурным шоком (смена температур, в частности, пониженных в начале на оптимальные в последующем), или используя одинаковые ио размеру клеткн, механически разделенные, например, фильтрованием (селективные методы) и т. п.

В зависимости от плотности суспензии ее необходимое количество может достигать 1—20% объема производственного ферментатора. Для аэробных микроорганизмов в инокулятор доставляют очищенный стерильный воздух.

Ферментация

Второй зтап биотехнологического процесса, называемый ферментацией. проводят в производственных биореакторах. По биохимической сущности он во многом имитирует предферментацию и поэтому названный термин является условным. Тем не менее, он принят на практике и в специальной литературе и не нуждается в каких-либо дополнительных пояснениях.

В процессе ферментации также необходимо использование стерильных питательных сред, воздуха и биореакторов, выбор которых обусловлен особенностями культивируемых микроорганизмов.

Микроорганизм в виде суспензии определенной плотности подают из инокулятора(-ов) в промышленный биореактор, или ферментатор, в котором содержится стерильная жидкая питательная среда. При этом не должно произойти попадания каких-либо посторонних микробов в питательную среду вместе с продуцентом — все соединения системы должны бьпъ герметично закрытыми.

Общий объем ферментатора заполняют инокулированной средой на 70—80%, 20—30% объема заполняют газами (инертным — для анаэробов, воздухом — для аэробов).

Аэрация жидкости способствует пенообразованию, снижающему качестяо ферментации, поэтому используют пеногашение либо механическое (установка в верхнеи части ферментатора специальной дополнительной мешалки), либо физико-химическое (использование ПАВ для снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз "газ-жидкость'').

Длительность ферментаций колеблетея в пределах от 4—5 до 14 суток и дольше, что зависит от особенностей физиологической активности биообъектов. Применительво к биосинтезу антибиотиков и экзогликанов периодические ферментации проводят обычно в течение 4—5 суток.

28. Брожение как разновидность биологического окисления. Спиртовое брожение

Броженне — это одна из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микробов в целях получения энергии, когда акцептором электронов или атомов водорода является органическое вещество. Биотехнологические бродильные процессы изучеиы давно в сравнении, например, с биотехнологией антибиотиков, аминокислот и друтих продуктов. Однако некоторые брожения реализованы на практике относительно недавно, например, брожения с участием Zymomonas spp.

В основе многих бродилъных процессов лежит универсалъная реакция превращения глюкозы (источник углерода) в ключевой промежуточный продукт (интермедиат) — пировиноградную кислоту, или пируват, из которого синтезируются различные конечные продукты. По метаболиту, образующемуся в наибольшем количестве, называют соответствующее брожение: сннртовос, масляно-кислое, молочнокислое, и т. д.

Спиртовое брожение лежит в основе получения этилового спирта, кормовых и пищевых дрожжей, пивоварения и виноделия. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи — сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcina ventricula, Zymomonas mobilis, Z. anaerobia). Среди названных организмов дрожжи занимают ведущее место, а получение с их помощью этанола относят к разряду наикрупнейших в мире. Эганол используют в различных отраслях народного хозяйства: то как растворитель, то как сырье для химического синтсза, широко используют в медицине, и т. Д.

Специальные штаммы Saccharomycos cerevisiae рекомендованы как биообъекты в производстве этанола (на африканском континенте чаще применяют Schizosaccharomyces pombe и S. octospoms). Штаммы подразделяют в свою очередь на расы верхового и низового брожений, а по способности к флокуляции — на хлопьевидные и пылевидные. Расами верхового брожения являются спиртовые, хлебопекарные и некоторые пивные дрожжи, расами низового брожения — большинство винных и пивных дрожжей. Клетки обеих рас могут быть подвержены флокуляции. При этом следует помнить, что пылевидные дрожжи находятся в диспергированном состоянии в течение бродильного процесса. Они менее стойки к автолизу, но более полно сбраживают сусло; хлопьевидные — оседают на дно или всплывают на поверхность, они более выраженные ароматизаторы.

В отличие от S. cerevisiae аэротолерантные бактерии Z. mobilis меньше чувствительны к этанолу, у них отсутствует катаболитная репрессия, а удельная скорость потребления глюкозы и образования этанола в 2—3 раза выше (qC₂H₅OH= 1,87 г/г»ч). Катаболизм глюкозы протекает по Энтнеру-Дудорову. Однако скорость размножения зтой бактерии низка и продуктивность по спирту не столь высока. Здесь остается резерв надежд на позитивные результаты генетико-селекционной работы с продуцентом.