Промышленный способ получения белка

Промышленный синтез белков

Рекомбинантные микроорганизмы используются для промышленного получения разнообразных белков в биореакторах (ферментерах). Часто для получения хозяйственно ценных продуктов используют бактерию E. coli с введенной в нее рекомбинантной ДНК, несущей определенный ген с заданными свойствами (например, ген гемоглобина или ген инсулиноподобного фактора роста человека).

Промышленная ферментация и получение очищенного продукта – это процесс многоступенчатый, который состоит из 6 следующих этапов:

1 этап. Выращивание исходной культуры в колбе при регулярном перемешивании (рис. 8.27).

Рис. 8.27. Этап выращивания исходной культуры в колбах

2 этап. Встряхивание исходной культуры в колбах, для активной её аэрации, с применением специальной электрической установки — «качалки» (рис.8.28).

Рис. 8.28. Этап активной аэрации культуры

3 этап. Перенесение культуры в ферментер для ускоренного размножения посевного материала – «расплодки» (рис. 8.29).

Рис. 8.29. Этап размножения посевного материала

«расплодки»

4 этап. Получение белков культивированием микроорганизмов в промышленном биореакторе (рис. 8.30)

Рис. 8.30. Этап получения разнообразных белков при участии рекомбинантных микроорганизмов в биореакторе

5 этап. После получения белков, конечный белковый продукт отделяют от культуральной среды в установке (рис. 8.31)

Рис. 8.31.Установка для получения очищенного (конечного) белкового продукта

6 этап. Производство белковых продуктов питания из клеток (разрушенных ферментами, химическими соединениями или механически), а также из культуральной среды.

Источник

Тема: Получение белка

Лекция № 15

Раздел: “Сельскохозяйственная биотехнология”

1. История использования микроорганизмов для получения белка

2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)

3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы

4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов

Структура питания человечества в целом, в том числе и населения нашей страны, далеко не идеальна, причем наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно белок высокой питательной ценности. Традиционные источники белка – продукты животноводства и растениеводства, не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно, увеличившуюся в связи с интенсивным приростом населения. Альтернативным источником белка могут служить различные микроорганизмы – дрожжи, высшие съедобные грибы, некоторые микроводоросли и т.д.

Микробиологическое производства белка налажено относительно недавно, однако, оно обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи (животноводством и растениеводством). А именно, микробиологическое производство не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и высокому уровню автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и типов их питания позволяют легко маневрировать в использовании различных видов сырья для биосинтеза.

1. История использования микроорганизмов для получения белка

Более века назад, экспериментируя с дрожжами, Л.Пастер открыл микробиологический синтез белка из аммиака и органических соединений не содержащих азота. Заводы по выращиванию дрожжей, созданные вскоре после исследования Пастера, выпускали дрожжевые закваски. С течением времени совершенствовалась технология производства дрожжей и в 1876 г. в США начали применять в хлебопечении прессованные дрожжи.

Идею использования микроорганизмов как белковых компонентов в питании в 1890-х гг. начал пропагандировать Дельбрюк, рекомендовавший применять для этой цели пивные дрожжи.

Первые заводы по выращиванию пищевых дрожжей на мелассе были открыть в Германии в первую мировую войну. После первой мировой войны в различных странах приступили к производству кормовых дрожжей. К середине 30-х гг. началось производство дрожжей из гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, из сульфитных щелоков, барды гидролизно-спиртовых заводов. В 1935 г у нас в стране был пущен первый опытный завод по производству кормовых дрожжей на основе использования соломы, кукурузных кочерыжек и древесных опилок, предварительно гидролизованных серной кислотой. В это время горячим поборником использования дрожжей в питании выступал Гивартовский, рассматривавший дрожжи как ценный источник витаминов группы В. Во время второй мировой войны во многих странах развернулось широкое производство пищевых дрожжей: в Германии — на основе сульфитных щелоков и гидролизатов древесины, в СССР, на Ямайке (тогда колонии Великобритании).

После войны в ряде стран стали возникать производства кормовых дрожжей на различных отходах, в первую очередь на сульфитных щелоках, а также на гидролизатах растительного сырья. В 60-е гг внимание исследователей привлекла возможность использования углеводородов нефти как сырья для получения кормовых дрожжей. С начала 70-х гг в СССР развернулось строительство по производству кормовых дрожжей на основе использования очищенных н-алканов нефти.

Однако в настоящее время большинство крупнотоннажных заводов нашей страны бездействуют, что связано как с экономическим кризисом и как следствие с падением производства в последнее десятилетие, так и с нефтяным кризисом, поскольку запасы нефти постепенно истощаются и, следовательно, уменьшается количество сырья. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наблюдается возрождение интереса к получению микробного белка как пищевого так и кормового назначения с использованием в качестве сырья различных отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также получение белка с помощью автотрофных микроорганизмов.

2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)

Современное промышленное использование микроорганизмов для производства белка осуществляется в ферментерах, рабо­тающих по принципу хемостата. Объемы ферментеров достигают нескольких сот кубических метров. В среду с размножающимися микроорганизмами непрерывно подаются водный раствор мине­ральных солей и применяемый в конкретном процессе органи­ческий субстрат. Культура подвергается перемешиванию, аэрированию и охлаждению. Рациональный процесс выращивания осуществляют при ли­митировании роста микроорганизмов кислородом или близко к такому лимитированию. Принципиальная технологическая схема производства кормо­вых дрожжей приведена на рис. 1.

Выращенные клетки дрожжей отделяют от водной среды сепарированием, или фильт­рованием, если используют мицелиальные грибы. Разработаны и другие методы отделения биомассы, например флотация для концентрирования мелких бактериальных клеток. Их обычно промывают, концентрируют, после чего подвергают термической обработке при 80—90°С, приводящей к отмиранию клеток. Полу­ченную в результате такой обработки сметанообразную массу высушивают, используя, как правило, распылительные сушилки. После высушивания получают порошкообразный или хлопьевидный продукт, который можно подвергнуть гранулированию. Продукт упаковывают и направляют на комбикормовые заводы и другим потребителям. Такие белоксодержащие добавки мик­робного происхождения имеют то или иное коммерческое назва­ние в зависимости от применяемого органического сырья, штам­ма микроорганизма и особенностей технологии, используемой на различных фирмах или предприятиях.

3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы

В производстве белка пищевого и кормового назначения используется самое разнообразное сырье и микроорганизмы. К такому сырью относятся – лигноцеллюлозные отходы и их гидролизаты, парафины нефти, газ, этанол и т.д.

Производство кормовых дрожжей на гидролизатах раститель­ного сырья, существует несколько десяти­летий. Для этой цели используются гидролизаты древесины, под­солнечной и рисовой лузги, кукурузных кочерыжек, стеблей хлопчатника, багассы (жом, оставшийся после извлечения саха­ра из сахарного тростника) и других целлюлозосодержащих ма­териалов. Сырье ежегодно возобновляется и, как правило, явля­ется отходами.

К недостаткам гидролизно-дрожжевого производства относит­ся сложность сбора и транспортировки сырья на крупные пред­приятия. Процесс выращивания дрожжей на гидролизатах осуществля­ется в неасептических условиях, а развитие контаминантных бактерий ограничивается поддержанием в ферментационной сре­де определенного значения рН (около 4,0). В гидролизатах со­держатся компоненты (например, фурфурол), оказывающие токсическое действие на рост дрожжей. Селекционированные в лаборатории штаммы имеют высокий выход биомассы в расчете на потребленные сахара. Но в производственных условиях эти штаммы зачастую вытесняются дикими штаммами, отличающи­мися большей устойчивостью к токсичным компонентам среды, меньшей потребностью в витаминах и высокими скоростями роста. Практически на каждом заводе происходит автоселекция штаммов или ассоциации дрожжей, приспособленной к местным условиям.

Список штаммов, используемых для производства кормовых дрожжей из гидролизатов растительного сырья, весьма обширен, он включает виды рода Candida и других родов (Trichosporon, Hansenula, Zygofabospora).

Перспективно получение биомассы микроорганизмов на фер­ментативных гидролизатах целлюлозосодержащего сырья. За­труднением для промышленной реализации такого процесса яв­ляется то, что в целлюлозосодержащем сырье имеется лигнин, препятствующий контакту целлюлаз с субстратом. Кроме того, сырье нуждается в обработке, позволяющей понизить содержа­ние в нем кристаллической формы целлюлозы и перевести ее в аморфное состояние, после чего ферментативный гидролиз значительно ускоряется.

Возможность выращивания микроорганизмов, относящихся к различным таксономическим группам, на средах с углеводорода­ми исследована достаточно широко. Способности к утилизации углеводородов часто встречаются у представителей дрожжей, из которых в первую очередь следует назвать род Candida, у представителей мицелиальных грибов, в частности Aspergillus и Fusarium, у многих видов грибов семейства Mucoraceae и раз­ных бактерий.

Сравнительная оценка твердых и жидких углеводородов как сырья для биосинтеза показала несомненное преимущество соединений, температура плавления которых значительно ниже температуры культивирования микроорганизмов.

Все классы углеводородов могут служить субстратами для микроорганизмов, однако, как правило, процесс роста наиболее интенсивно происходит на среде, содержащей н-алканы с различ­ной длиной цепи. Дрожжами с наибольшей скоростью обычно потребляются н-алканы С₁₁ — С₁₄, среднее положение занимают н-алкайы С₁₅ — С₁₈ и медленнее других усваиваются н-алканы С₂₃ — С₂₄. Алканы С₆ — С₉ не только плохо используются дрож­жами, но часто токсичны для них.

Наиболее перспективными новыми видами сырья для микробного биосинтеза кормового белка на ближайшие годы являются спирты — метиловый и этиловый.

Повышение внимания к низшим спиртам объясняется рядом обстоятельств, среди которых следует отметить разработку новых эффективных способов крупнотоннажного производства метанола и этанола, высокую степень чистоты получаемых спиртов, хоро­шую растворимость их в воде.

Многие бактерии могут расти за счет использования мета­нола. Выходы биомассы при росте на метаноле составляют 50% и более от массы использованного спирта. Энергетические выходы роста бактерий на метаноле (доля химической энергии органи­ческого субстрата, сохраняющаяся как химическая энергия в выросшей биомассе) достаточно велики (более 50%), но ниже, чем при росте микроорганизмов на углеводах (до 65%). При росте микроорганизмов на углеводородах энергетический выход роста ниже и составляет около 40 %. С этим связано более эффективное использование дорогостоящего растворенного кислорода и повышение производительности ферментеров при ис­пользовании метанола по сравнению с культивированием микро­организмов на н-алканах.

Процесс выращивания метанолиспользующих бактерий уже доведен до реализации, например, западногерманская фирма Хёхст, исполь­зующая0 в качестве продуцента Methylomonas clara и английская кампания ICI, организовавшая промышленное производство на основе использования метанола бактериальной массы кормового назначения. В последние годы найден и интенсивно изучается ряд штаммов дрожжей, способных расти, используя метанол. Метанолассимилирующие дрожжи часто встречаются среди ро­дов Hansenula и Pichia. К метанолассимилирующим дрожжам относится Candida boidinii. В Англии организовано производство пищевого белка из гриба Fusarium. Продукт, названный микопротеином, исполь­зуется как добавка к различным продуктам. В США производится торутин — продукт высушенной биомассы С. utilis, полученной на синтетическом этаноле. Торутин ис­пользуется для добавления в продукты питания человека с целью улучшения их органолептических свойств (вид, вкус, запах и др.), снижения себестоимости и повышения белковой ценности.

В нашей стране разработан способ производства на этаноле био­массы Sacch. cerevisiae. Используется штамм, применяемый в хлебопечении. Безвредность постоянного применения неболь­ших количеств пекарских дрожжей в питании проверена опытом человечества на протяжении тысячелетий. Выход сахаромице­тов при росте на этаноле несколько ниже, чем при выращивании С. utilis. Однако в белках сахаромицетов, выращенных на этаноле, содержание лизина очень высоко (около 10% по мас­се). Добавление биомассы саха­ромицетов в пшеничный хлеб позволяет не только повысить содержание в нем белка, но и улучшить аминокислотный состав белков. При добавлении 5 % (от массы муки) биомассы сахаро­мицетов белковая ценность получаемого пшеничного хлеба повы­шается в 1,5 раза.

4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов

В последние годы основные направления исследований по микробиологическому получению белковых веществ несколько изменились. Прежде всего следует отметить повышение внимания к изысканию новых видов сырья для производства белковых веществ. В этой связи изучают фототрофные микроорганизмы, которые растут в автотрофных условиях, ассимилируя углекис­лоту.

Культивирование водорослей с целью получения белковых веществ исследуется уже несколько десятилетий. В настоящее время наиболее эффективный способ использования биомассы хлореллы и других водорослей заключается в применении их в качестве биостимуляторов. Обнадеживающие данные имеются по выращиванию цианобактерии спирулины. Жители района оз. Чад издавна используют спирулину в питании.

Может оказаться перспективным применение в качестве про­дуцентов белковых веществ водородных бактерий, относящихся к хемолитоавтотрофам.

Другой перспективный продуцент белка пищевого и кормового назначения – высшие базидиальные грибы. Согласно современным данным, около 2000 видов базидиальных грибов из 30 родов считается съедобными, из них только 20 видов выращивают в коммерческих целях, но всего 5-6 видов культивируют в промышленных масштабах, причем основными являются Agaricus bisporus, Lentinus edodes, а в нашей стране — Pleurotus ostreatus.

Народнохозяйственное значение дереворазрушающих базидиальных грибов определяется рядом особенностей, что дает им определенное преимущество. Эти особенности следующие: биомасса базидиальных грибов обладает приятным грибным запахом (в результате биосинтеза ароматических метаболитов); кроме того, биомасса мицелия Basidiomycetes, например Pleurotus ostreatus, содержит до 26% белка. Аминокислотный состав белка базидиальных грибов не уступает и даже выше ряда растительных (сои, риса, пшеницы) белков и близок к животному. Сумма аминокислот составляет до 24-25% от сухой биомассы. Также в грибной биомассе содержание нуклеиновых кислот очень низко (2%), что делает их безвредными. Мицелий вешенки очень богат витаминами группы В: тиамином, рибофлавином, ниацином, пиридоксином, биотином. Кроме того, биомасса мицелия содержит ряд необходимых человеку металлов: железа, цинка, меди, кальция, магния.

В настоящее время мицелий съедобных грибов в виде сухого грибного порошка (ГП) используют во многих странах как ценную пищевую добавку к супам и соусам, а также вводят ГП в овощные и мясные концентраты. Так как мицелий представляет собой нити, состоящие из фрагментов различной величины, его очень удобно добавлять в сыры, консервированные овощи и хлебные изделия, а в последние годы также в колбасные изделия и мясные полуфабрикаты. В Японии на основе вытяжки из ГП готовят специальные напитки.

В нашей стране был разработан ряд препаратов для использования в пищевой промышленности. Это пантигрин на основе мицелия Panus tigrinus ИБК-131 и даедалин,где продуцентом является Daedalea confragosa Г-115, у которого 1 кг препарата содержит столько же белка, сколько 1 кг мяса. В самые последние годы ГП Pleurotus ostreatus рекомендован в виде добавок к крупяным и овощным изделиям.

Кроме ГП все шире начинают использовать в кулинарии плодовые тела базидиальных грибов. На Востоке для этих целей популярен L.edodes (шиитаке).

В основе интенсивного культивирования грибов (например, вешенки) находится использование целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства и промышленности. Традиционным субстратом является солома различных злаковых культур, лесосечные отходы: щепки, опилки, кора., листья (хвойных или лиственных пород деревьев).

После сбора урожая грибов, первой и второй волн, остается неиспользованный блок субстрата, богатый разросшимся мицелием (белком), который используют как белковый концентрат в животноводстве.

Важный резерв пополнения ресурсов кормового и пищевого белка — производство его за счет глубинного выращивания грибного мицелия. Для такого производства белка характерна высокая скорость производства, способность грибов усваивать различные отходы — углеводы, органические кислоты, крахмал, целлюлозу и т.д. Выращивание грибного мицелия в глубинных условиях является регулируемым и управляемым процессом получения белка и других метаболитов.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник