mikrobiológiai ipar
Mikrobiológiai ipar és a termelés egy termék mikroorganizmusok segítségével. A folyamat az úgynevezett fermentációs mikroorganizmusokat; milyen minőségben zajlik, az úgynevezett fermentor (vagy bioreaktor).
Zajló folyamatok részvételével baktériumok, élesztőgombák és penészgombák, az a személy, alkalmazott több száz éve, hogy készítsen ételek és italok, textil- és bőrfeldolgozás, de a részvétel ezekben a folyamatokban a mikroorganizmusok egyértelműen kimutatták, csak a 19. század közepén.
A 20. században. ipar felhasznált összes különböző méltó bioszintetikus képességeit mikroorganizmusok, erjesztés és most központi helyet foglal el a biotechnológia. A rendszer segítségével a különböző vegyi anyagok kapott nagy tisztaságú és gyógyszerek készülnek, mint sör, bor, fermentált élelmiszerek. Minden esetben, a fermentációs folyamat oszlik hat fő szakaszból áll.
Környezet megteremtése. Először is, ki kell választania a megfelelő táptalajt. A mikroorganizmusok a növekedésükhöz igényelnek szerves szénforrások, megfelelő nitrogén-forrás és a különböző ásványi anyagok. Az alkoholtartalmú italok előállításához a közegben kell jelen lennie a maláta, törköly, illetve bogyós gyümölcsök. Például egy sört általában malátából készült cefre és a bor # 150; szőlőlé. Amellett, hogy a víz és esetleg bizonyos adalékanyagok, ezek a kivonatok és hogy a tápközeg.
Közepes vegyszerek és gyógyszerek sokkal nehezebb. Leggyakrabban használt cukor és más szénhidrátok, de gyakran olajok és zsírok, szénhidrogének, és néha szénforrásként. nitrogénforrást általánosan ammóniát és ammónium-sók, valamint különféle növényi vagy állati eredetű: szójaliszt, szójadara, gyapotmag-liszt, földimogyoró, kukorica-keményítő melléktermékek, vágóhídi hulladék, halliszt, élesztőkivonat. Előállítása és optimalizálása a növekedési közeg egy nagyon összetett folyamat, és a receptek ipari környezetben # 150; féltve őrzött titok.
Sterilizálás. A közepes sterilizálni kell, hogy elpusztítsa az összes mikrobiológiai szennyeződéseket. Sam fermentor, sterilizált tartozékokat is. Két a sterilizációs eljárásokat: közvetlen befecskendezés a túlhevített gőz és a fűtött a hőcserélő. A kívánt mértékű sterilitás természetétől függ a fermentációs folyamat. Meg kell maximalizálni a készítmény a gyógyszerek és vegyi anyagok. Követelmények azonban sterilitás termelő alkoholtartalmú italok kevésbé szigorúak. Az ilyen fermentációs folyamatok nevezzük „védett”, mert a feltételek jönnek létre olyan környezetben, hogy csak bizonyos mikroorganizmusok képesek növekedni őket. Például, a termelés a sör tápközeget egyszerűen főtt, de nem sterilizált; fermentor is alkalmazhat tiszta, de nem steril.
Megszerzése kultúra. Mielőtt elkezdené a fermentációs folyamat, szükséges, hogy egy tiszta rendkívül produktív kultúra. Tiszta mikroorganizmus-kultúrák vannak tárolva nagyon kis mennyiségben és olyan feltételek mellett biztosítsa annak életképessége és hatékonysága; Általában ezt úgy érjük el tárolási alacsony hőmérsékleten. A fermentort tartalmazhat több százezer liter táptalajt, és a folyamat úgy indítjuk, hogy bele egy kultúra (inokulum), 1 rész # 150; 10 térfogat%, ahol a fermentációs megy végbe. Így a starter kultúrát fokozatosan meg kell szüntetni (ek átoltjuk) a emeljék a mikrobiális biomassza eléréséhez elegendő mikrobiológiai eljárás az áramlás a szükséges termelékenységet.
Ez feltétlenül szükséges minden alkalommal, hogy fenntartani a tisztaságot a kultúra, nem teszi lehetővé annak szennyeződés idegen mikroorganizmusokat. Mentése aszeptikus körülmények között csak akkor lehetséges, gondos mikrobiológiai és kémiai folyamat ellenőrzése.
A növekedés az ipari fermentor (bioreaktor). Ipari mikroorganizmusok növekedni fermentorban alatt optimális a kialakulását a kívánt termék feltételeket. Ezek a feltételek szigorúan ellenőrzött, ügyelve arra, hogy általuk nyújtott a mikrobiális növekedés és a termék szintézisét. A design a fermentor legyen képes szabályozni a növekedési feltételek # 150; állandó hőmérsékleten, pH (savasság vagy lúgosság), és az oxigén koncentrációja a közegben oldva.
Normál fermentort egy lezárt, hengeres edény, amelyben a mechanikusan kevert média és mikroorganizmusok. Közepes szivattyúzzák át a levegőt, néha oxigénnel. A hőmérséklet szabályozása útján vízzel vagy gőzzel, áthalad a hőcserélő csövek. Az ilyen egy fermentorba keverést alkalmazunk azokban az esetekben, ahol a fermentációs folyamat során egy sok oxigén. Egyes termékek, ezzel szemben vannak kialakítva oxigénhiányos körülmények és ezekben az esetekben a fermentor alkalmazható egyéb építmények. Például, főzött sör a nagyon alacsony koncentrációban oldott oxigén, és a tartalmát a bioreaktor nem szénsavas vagy rázatjuk. Néhány sörgyárak is hagyományosan nyílt tartályokban, de a legtöbb esetben a folyamat zárt neaeriruemyh hengeres tartályok, lefelé csökken, ezáltal ülepítő élesztőt.
Az ecet-alapú készítmény az alkohol oxidációja, hogy ecetsav-baktériumok Acetobacter. A fermentációs folyamat zajlik tartályokat, atsetatorami intenzív levegőztetés. A levegő és a közeg beszívott forgó keverővel és betápláljuk a fermentorba falra.
Izolálása és tisztítása termékek. Az adagolás befejezése után a fermentlé a mikroorganizmusok jelenléte, tápanyagok nem használt média komponensek, különböző hulladékok a mikroorganizmusok, és a terméket, amely kívánunk előállítani ipari méretekben. Ezért, ez a terméket megtisztítjuk a többi leves komponenseket. Kézhezvételét követően az alkoholos italok (bor és sör) csak annyi, hogy külön az élesztőt és a szűrletet hozta létre, hogy szabványos. Azonban, az egyes kémiai anyagok által termelt fermentációs, kivont komplex összetételű táptalaj. Bár az ipari mikroorganizmusok speciálisan kiválasztott aszerint, hogy azok genetikai tulajdonságait oly módon, hogy a kívánt terméket kapjuk metabolizmusuk volt maximális (a biológiai értelemben), a koncentráció még mindig alacsony elérthez képest a termelés kémiai szintézissel. Ezért szükséges, hogy igénybe kifinomultabb módszereket kiosztási # 150; oldószeres extrakció, a kromatográfia és az ultraszűrés.
IPARI mikrobiológiai folyamatok
Ipari mikrobiológiai folyamatok osztható 5 fő csoportba: 1) növesztjük az mikrobiális biomassza; 2) megszerzése mikrobiális anyagcsere termékek; 3) megszerzése mikrobiális enzimek; 4) a rekombináns termékek; 5) biotranszformáció vegyületek.
Mikrobiális biomassza. A mikrobiológiai sejtek maguk is szolgálhatnak, mint végterméket a gyártási folyamat. Ipari méretekben a két fő típusa előkészített mikroorganizmusok élesztő szükséges sütés, és egysejtű organizmusok forrásaként használjuk a fehérje, amely képes lehet hozzáadni az élelmiszerekhez az emberi és állatok. Sütőélesztő termesztik nagy mennyiségben, hiszen az elején a 20. században. és használják a élelmiszertermék alatt Németországban az első világháború.
Azonban a technológia a termelés a mikrobiális biomassza mint élelmiszer fehérjék dolgoztak csak az 1960-as években. Számos európai vállalat odafigyelt a lehetőségét termesztése mikrobák a felületen, mint például a szénhidrogének, az úgynevezett fehérje egysejtűek (BOO). Technológiai diadala az volt, hogy olyan terméket kapjunk adunk a takarmány és amely szárított mikrobiális biomassza metanolon nőtt. A folyamat egy folyamatos eljárás egy fermentor hasznos térfogata 1,5 millió. Liter. Azonban, mivel a növekvő olaj- és termékek feldolgozása Ez a projekt gazdaságtalanná vált, utat enged a termelés szójabab és a halliszt. Végére a 80-as, így Boo növények bontották, hogy véget vessen a gyors, de rövid időszakban a fejlődés ezen ága mikrobiológiai ipar. Több ígéretes kiderült egy másik folyamat # 150; megszerzése gombás biomassza és a gombás fehérje mikoproteina használva szénhidrátok, mint a hordozó.
anyagcsere termékek. Beoltás után a közeg megfigyelt lag-fázis, amikor a látható mikroorganizmusok növekedését fordul elő; Ebben az időszakban lehet tekinteni, mint egy adaptációs idő. Ezután a növekedés üteme fokozatosan növekszik, és eléri a konstans, a maximális értéket az adott körülmények között; időszak maximális növekedés az úgynevezett exponenciális vagy logaritmikus fázisban. Fokozatosan csökken, és ott jön az úgynevezett állófázis. Továbbá, az életképes sejtek csökken, és a növekedés leáll.
Miután kinetikája a fent leírt, vezethető a metabolitok képzésére különböző szakaszaiban. A log-fázisú termékek előállítása, amelyek létfontosságúak a mikroorganizmusok növekedésének: aminosavak, nukleotidok, fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok, stb Ezek az úgynevezett primer metabolitok.
Sok primer metabolitok jelentős értéket. Így, glutaminsav (pontosabban, ennek nátriumsója) része számos élelmiszerek; lizint élelmiszer-adalékanyagként; Fenilalanin prekurzor cukor helyettesítésére aszpartám. Primer metabolitok által szintetizált természetes organizmusok szükséges mennyiségben csak az igényeik kielégítésére. Ezért az ipari mikrobiológusok célunk mutáns formái mikroorganizmusok # 150; superproducer megfelelő anyagokat. Ezen a területen is jelentős előrelépést tettek: például, sikerült elérnie mikroorganizmusok szintetizáló aminosavak legfeljebb koncentrációja 100 g / l (az összehasonlítás # 150; vad típusú organizmusok felhalmozódnak az aminosav mennyiségben, amelyek kiszámított milligramm).
A lassulás növekedési szakasz és a stacionárius fázis néhány mikroorganizmus szintetizálni anyagok, nem alakul ki a logaritmikus fázisban, és nem játszik nyilvánvaló szerepet az anyagcserében. Ezeket az anyagokat nevezzük másodlagos anyagcseretermékek. Ezek szintetizált, nem minden mikroorganizmus, de leginkább a fonalas baktériumok, gombák és spóraképző baktériumok. Így a termelők a primer és szekunder metabolitok tartoznak a különböző taxonómiai csoportokat. Ha a kérdés az élettani szerepe másodlagos metabolit-termelő sejtek tárgya volt jelentős vita, előállításuk jelentős ipari érdek is, mivel ezek a metabolitok biológiailag aktív anyagok: egy részük antimikrobiális aktivitást, míg mások specifikus inhibitorok enzimek és mások # 150; növekedési faktorok, sok farmakológiai aktivitással. Első ilyen anyag volt az alapja létrehozására számos ágazat mikrobiológiai ipar. Az első ebben a sorozatban volt a termelés a penicillin; mikrobiológiai Eljárás penicillin-ben fejlesztették ki az 1940-es és megalapozta a modern ipari biotechnológia.
A gyógyszeripar kifejlesztett rendkívül összetett szűrési módszerek (tömeges ellenőrzés) mikroorganizmus képes előállítani az értékes szekunder metabolitok. Kezdetben, a szűrés volt, a célja megszerzése új antibiotikumok, de ez hamar felfedezték, hogy a mikroorganizmusok szintetizálnak és más, farmakológiailag hatásos anyaggal. Az 1980-as, akkor indult a termelés négy nagyon fontos másodlagos anyagcseretermékek. Ezek a következők voltak: a ciklosporin # 150; immunszuppresszáns-ként használt megelőzésének eszközeként kilökődés a beültetett szervek; imipenem (egyik karbapenem módosításokkal) # 150; szer, amely széles spektrumú antimikrobiális aktivitást az összes ismert antibiotikumok; lovasztatin # 150; egy gyógyszer, amely csökkenti a koleszterin a vérben; ivermectin # 150; féreghajtó, használják a gyógyászatban kezelésére onchocerciasis, vagy a „folyami vakság”, valamint az állatgyógyászatban.
Enzimek mikrobiális eredetű. Az ipari léptékű származó enzimek növények, állatok és mikroorganizmusok. Az utóbbinak az az előnye, hogy lehetővé teszi az enzimek nagy mennyiségben standard fermentációs technikákat. Továbbá, hogy a termelékenység javítására a mikroorganizmusok sokkal könnyebb, mint a növények vagy állatok, és a rekombináns DNS-technológia lehetővé teszi, szintetizáló állati enzimek mikrobiális sejtekben. Az enzimek ily módon kapott elsősorban az élelmiszeriparban és a kapcsolódó területeken. Szintézis enzimek sejtek genetikailag ellenőrzött, és így a rendelkezésre álló ipari-termelő mikroorganizmusok kapunk eredményeként irányváltozás genetika vad típusú mikroorganizmusokkal.
A rekombináns termékek. A rekombináns DNS technológia, ismertebb nevén „génsebészet”, lehetővé teszi, hogy a magasabb rendű szervezetek közé tartoznak olyan gének genomjába a baktériumok. Ennek eredményeként, a baktériumok képessé szintetizálni „idegen” (rekombináns) termékek # 150; vegyületek, amelyek korábban csak szintetizálni magasabb rendű szervezetek. Ezen az alapon, ott már sok új biotechnológiai eljárások termelés az emberi vagy állati fehérjék, korábban hozzáférhetetlen vagy alkalmazni, nagyobb kockázatot jelent az egészségre. A „biotechnológia” kiterjesztették az 1970-es kapcsolatban a fejlesztési módszerek a rekombináns termék. Azonban ez a fogalom sokkal szélesebb és bármilyen ipari alapuló módszer az élő szervezetek és biológiai folyamatok.
Az első rekombináns fehérje ipari méretekben gyártott, az emberi növekedési hormon volt. A kezelést a hemofília kezelésében használja a fehérjék a véralvadási rendszer, azaz a VIII-as faktor. Mielőtt fejlesztettek előállítására szolgáló eljárások ezen fehérje géntechnológiai úton úgy izoláljuk, emberi vérből; az ilyen gyógyszer járt a kockázata a humán immundeficiencia vírus (HIV).
Hosszú ideig a diabetes sikeresen kezelt állatok inzulin. Mindazonáltal, a tudósok úgy gondolták, hogy a rekombináns termék jön létre kevesebb immunológiai problémát, ha ez lesz lehetséges tiszta formában, anélkül, adalékszerek más peptidek a hasnyálmirigy által termelt. Továbbá azt vártuk, hogy a szám a cukorbetegek növekedni fog idővel olyan tényezők miatt, mint a változtatásokat az étrend, jobb terhes cukorbeteg gondozás (és ennek következtében # 150; gyakoriságának növekedése genetikai hajlam a cukorbetegség), és végül, a várható élettartam növekedése várható a cukorbetegek. Az első rekombináns inzulin került forgalomba 1982-ben, és a végén az 1980-ben majdnem kiszorította az állati inzulin.
Számos egyéb fehérje szintetizálódik az emberi szervezetben nagyon kis mennyiségben, és az egyetlen módja, hogy őket a megfelelő mértékben felhasználásra a klinikán, # 150; rekombináns DNS technológiával. Az ilyen fehérjék közé tartoznak az eritropoietin és az interferon. Eritropoietin együtt mieloid kolónia stimuláló faktor szabályozza a vérsejtek képződésében emberben. Az eritropoetin kezelésére használják vérszegénység veseelégtelenséggel kapcsolatos, és fel lehet használni, mint a támogatás növeli a vérlemezkék szintjét kemoterápia a rák.
Biotranszformációjára anyagok. Mikroorganizmusok transzformálására használjuk bizonyos vegyületek szerkezetileg hasonló, de több értékes anyagokat. Mivel a mikroorganizmusok kifejtheti katalitikus ellen csak néhány speciális anyagok, amelyek előfordulnak a részvételi folyamatok pontosabb, mint a tisztán kémiai. A legismertebb biológiai átalakulási folyamat során # 150; előkészítése ecetet átalakításából származó etanol ecetsav. De a termékek között a biotranszformáció, vannak igen értékes vegyületek, mint például szteroid hormonok, antibiotikumok, prosztaglandinok. Lásd. Szintén géntechnológia.
Ipari mikrobiológia és a géntechnológia előlegek (különszám «Scientific American» magazin). M. 1984
Biotechnológia. Principles and Applications. M. 1988