Реферат: Питательные субстраты, применяемые в биотехнологии

Питательные субстраты, применяемые в биотехнологии.

Биосинтез пенициллинов методами ферментации в 1940-х годах ознаменовал собой начало эры промышленной биотехнологии. Общий объем биотехнологической продукции сегодня в мире измеряется в миллионах тонн в год. Любое производство начинается с сырья.

Сырье в биотехнологических производствах, особенно крупнотоннажных, занимает первое место в статьях расходов и составляет 40-65% общей стоимости продукции. При тонком биосинтезе доля сырья в общей себестоимости продукции уменьшается.

Выбор между биосинтезом и химическим синтезом вещества определяется экономическими факторами. Вот почему такую важность имеет цена сырья.

При химическом синтезе сырьем служит нефть или ее производные. При биосинтезе сырьем обычно являются крахмал, целлюлоза или побочные продукты пищевой промышленности (меласса, молочная сыворотка и пр.).

Эффективность процесса составляют следующие факторы:

1.количество субстрата, превращаемого в конечный продукт;

2.длительность синтеза;

3.стоимость отделения продукта от культуральной среды;

4. стоимость уничтожения отходов или побочных продуктов производственного процесса или
их возможное использование.

Питательный субстрат, или питательная среда, является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые и газообразные компоненты.

Существует тесное взаимодействие между культивируемым объектом и физико-химическими факторами среды. В принципе, микроорганизмы способны ассимилировать любое органическое соединение, поэтому потенциальными ресурсами для промышленной биотехнологии могут служить все мировые запасы органических веществ.

Органическое сырье без предварительной химической обработки малопригодно для микробного синтеза. Тем не менее, целлюлозосодержащее сырье после химического или ферментативного гидролиза и очистки может быть использовано в биотехнологическом производстве.

Из органического сырья наибольшее внимание биотехнологов привлекает крахмал, хотя для его ассимиляции микроорганизмами требуется сложный комплекс амилолитических ферментов, которыми владеют только некоторые виды микроорганизмов. Много крахмала расходуется для производства этанола, а также для приготовления фруктозных сиропов. Однако запасы крахмалсодержащего сырья ограниченны, поэтому используют мелассу, метанол, этанол и глюкозное сырье. При выборе сырья необходимо учитывать не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья.

Углеродсодержащее сырье является основным сырьем микробного синтеза. К нему относятся парафиновые углеводороды нефти, метан как компонент природного газа, гидролизаты растительного сырья, этанол, уксусная кислота и т.д. Низкомолекулярные спирты (метанол и этанол) можно отнести к циклу перспективных видов микробиологического сырья, так как их ресурсы существенно увеличиваются благодаря успешному развитию технологии химического синтеза. Примером использования побочных продуктов является крахмальный экстракт, сульфитный щелок, зерновая и картофельная барда, меласса, молочная сыворотка и т.д.

Характеристика основных видов сырья .

Распространенными источниками углерода и энергии являются компоненты нефти и природного газа. В состав сырой нефти входят парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды с большей или меньшей примесью кислородсодержащих или сернистых соединений.

В зависимости от месторождения соотношение в нефти различных классов углеводородов варьирует.

В наиболее распространенных сортах нефти содержится 50-60% нафтенов, 20-30% парафинов и 15-30% ароматических углеводородов. Каждый класс углеводородов представлен многочисленными гомологами и изомерами. Это обуславливает необходимость разделения нефти на фракции, что достигается путем ее перегонки или крекинга (превращения длинноцепочечных углеводородов в короткоцепочечные).

Дизельная фракция (продукт переработки нефти) содержит не менее 15% парафинов и является источником парафиновых углеводородов, которые по структуре и молекулярной массе оптимальны для потребления бактериями и дрожжами

Выделение парафинов из дизельной фракции осуществляют методами карбамидной депарафинизации или адсорбционного извлечения.

Полученные жидкие парафины пригодны для культивирования микроорганизмов и имеют следующий состав (в %):

1.п-алканы (парафиновые углеводороды) с числом углеродных атомов от 10 до 20 - 98%

2.ароматические углеводороды - 0,2%

3.сера - 0,05%,

Практически все сказанное о нефти относится и к природному газу - сложной смеси органических (углеводороды и их производные) и неорганических веществ. Концентрация метана в природном газе может приближаться к 100%.

Вместе с тем круг метанотрофов - микроорганизмов, способных непосредственно утилизировать метан, сравнительно ограничен.

Используемый природный газ требует перед подачей в ферментер дополнительной очистки от соединений, сильно ингибирующих рост клетки. Ограниченность ресурсов нефти и газа вынуждает биотехнологов изыскивать иные, в первую очередь возобновляемые источники сырья.

В этой связи большое внимание уделяют различным видам растительной массы: плодам, сокам, клубням, травяной массе, древесине. Применяют отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и бумажной промышленности, что позволяет реализовать с помощью биотехнологии принцип безотходного производства.

Половину высушенной растительной биомассы составляет целлюлоза - самый распространенный биополимер. Как полисахарид целлюлоза представляет собой ценный источник углерода и энергии. Химический состав растительного сырья неодинаков.

Главной частью растительного сырья являются полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества) - 40-75% и лигнин- от 15 до 60%.

Лигнин- нерастворимый при гидролизе остаток растительного сырья- находит ограниченное применение и является балластом.

Основным способом гидролиза растительного сырья является перколяционный гидролиз серной кислотой при повышенных давлении и температуре.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--