Сырье для процессов биотехнологического производства, требования к нему

К сырью для биотехнологических производств предъявляют ряд требований:

- оно должно обеспечивать образование требуемого продукта;

- среда должна быть доступной (для дешевых продуктов, а для очень дорогих можно применять дорогие среды);

- питательная среда должна обеспечить легкое выделение продукта;

- среда должна быть не токсичной и не загрязнять окружающую среду.

Биотехнологическая продукция составляет миллионы тонн в год, поэтому сырья нужно много. 90 % сырья расходуется на производство спирта, а остальные 10 % - на все биотехнологические производства. Микроорганизм может использовать для жизни любое органическое соединение, поэтому весь мировой запас органики (растения, почва, химикаты) потенциально является пищей для микроорганизмов.

Однако для того, чтобы продуцент производил нужный продукт, ему необходимо индивидуальное питательное соединение (питательная среда).

Питательная среда является сложной трёхфазной системой и как бы продолжением микробной клетки.

Кроме индивидуальных органических соединений, в промышленности используют различные отходы. Например: 1 тонна кукурузного крахмала стоит 64-91 $, меласса - 140 $, этанол- 430 $, глюкоза- 290 $, сахароза- 629 $.

Всё сырьё можно разделить на несколько групп.

- Углеродсодержащее сырьё – глюкоза, сахароза, лактоза, крахмал, спирты, органические кислоты и т. д.

Глюкоза - С₆H₁₂O₆ кристаллическая, может содержать воды не более 9 %, золы - не более 0,07 %, (в том числе не более 0,004 % железа). В сухом веществе должно быть не менее 99,5 % редуцирующих веществ.

Сахароза - (свекловичный сахар, тростниковый сахар) С₁₂H₂₂O₁₁ техническая содержит не менее 99,75 % сахарозы, не более 0,003 % золы. Влажность до 0,15 %.

Лактоза – (молочный сахар) С₁₂H₂₂O₁₁, получаемая из молочной сыворотки, является отходом при изготовлении масла и сыра. После сгущения до концентрации сахаров 50 % и кристаллизации получают концентрат лактозы.

Лактозный сахар – сырец содержит не менее 92 % сахара, не более 3 % воды, 2 % золы и 1 % молочной кислоты. Количество белка не регламентировано, но обычно оно не превышает 3 %.

Крахмал представляет собой смесь полисахаридов, встречающихся в растениях в виде зерен (запасной углевод растений). Получают в промышленном масштабе из картофеля и кукурузы. Под действием ферментов микроорганизмов крахмал гидролизуется до глюкозы. В зависимости от сорта (высший, I, II, III) содержание золы в крахмале достигает 0,35 - 1,2 %.

Метиловый спирт (метанол) CH₃OH представляет собой бесцветную, легкоподвижную жидкость, по запаху напоминающую этиловый спирт. Хорошо растворяется в воде, легко усваивается многими микроорганизмами. Метиловый спирт может быть получен из природного газа, нефти, каменного угля. Перспектива использования метилового спирта во многом зависит от эффективности способа его получения.

Следует помнить, что метиловый спирт - сильный яд для человека. Приём внутрь 30 мл. метилового спирта смертелен.

Этиловый спирт (этанол) С₂H₅OH является перспективным сырьём для выращивания микроорганизмов. Этиловый спирт хорошо смешивается с водой, нетоксичен, получаемая на нём биомасса не требует специальной очистки. В качестве источника углерода могут использоваться все марки этилового спирта, получаемого как микробиологическим, так и химическим путём. В этиловом спирте допускается присутствие незначительных количеств изопропилового спирта, серусодержащих соединений, органических кислот, сложных эфиров, диэтилового эфира, нерастворимых в воде веществ.

Уксусная кислота CH₃COOH с содержанием основного вещества не менее 60 %, а формальдегида HCHO и муравьиной кислоты HCOOH - не более 1 % может быть использована в качестве источника углерода.

К этой же группе относятся различные отходы и побочные продукты: меласса, зерновая и картофельная барда, кукурузная мука, мелассная барда, ацетонобутиловая барда.

Меласса - побочный нестандартный продукт сахарной промышленности, который остаётся после второго отделения кристаллов сахара. Цвет – тёмно – коричневый, плотность 1,35 - 1,40 г/см³. Меласса содержит 61- 68 % сухих веществ, 40 - 55 % сахарозы. Кроме того, в ней имеется 0,5 - 2,0 % инвертного сахара и 0,5 - 2,5 % раффинозы. В мелассе содержится 1,1 - 1,5 % азота, причем третья часть его находится в форме бетаина, использовать который микроорганизмы не могут. В состав мелассы входят многие аминокислоты (аспаргиновая, глутаминовая, лейцин, изолейцин, тирозин) и витамины группы В (биотин, рибофлавин, инозит, никотиновая и пантотеновая кислоты). Особенно большое значение имеет биотин (его содержание - 80 мг/т).

В мелассной золе много калия (30 - 40 %), магния (1,5 - 4,5 %), кальция (до 14 %), железа и других элементов, но сравнительно мало фосфора. При хранении мелассы могут иметь место потери сахара в результате деятельности микроорганизмов.

Кукурузная мука. Состав кукурузной муки может колебаться в значительных пределах в зависимости от сорта кукурузы, условии её выращивания и хранения. В среднем она содержит 67 - 70 % крахмала, около 10 % других углеводов (клетчатки, пентозанов, декстринов, растворимых углеводов), около 12 % белков (30 % глютелина и 45 - 50 % казеина). Влажность не должна превышать 15 %. Содержание золы примерно 0,9 %. Зола кукурузной муки содержит до 45 % фосфорного ангидрида, 30 % оксида калия и 15 % оксида магния. Кукурузная мука служит источником углерода в питательных средах для биосинтеза антибиотиков и ферментов. Она является самым дешевым продуктом из всех зерновых, и её цена зависит от степени измельчения.

Мелассная барда является нестандартным продуктом, отходом спиртового производства. Содержание сухих веществ в натуральной барде 6 - 10 %. В составе барды кроме дрожжевой массы присутствуют аминокислоты, гликолевая, молочная, янтарная кислоты, соли кальция, калия, натрия, марганца, кобальта, меди и ряд витаминов группы В.

Ацетонобутиловая барда - нестандартный продукт, являющийся отходом микробиологического производства органических растворителей - ацетона и бутилового спирта. Для микробиологического синтеза используют барду после отделения шлама. В составе барды имеются углеводы, клетчатка, азотсодержащие и зольные вещества.

- Углеводородсодержащие сырье - это парафины нефти, метан (сырьё дешевое, и имеет постоянный состав, что очень хорошо для автоматизации процессов).

- К Нетрадиционным источникам сырья относится метанол, этанол и т. д.

Эти три группы – основной компонент питательной среды то есть углеродсодержащий. Кроме этого в состав питательной среды должны входить:

- источники минерального питания (соли фосфора, азота, натрия, калия, магния, кальция и т. д. содержащие АТФ);

- микроэлементы (цинк, марганец, молибден, кобальт, сера и т. д.);

- комплексные обогатители сред. Они содержат биологически активные вещества (БАВ) – витамины, гормоны, ферменты, факторы роста.

Эти вещества вводят не в чистом виде, а в составе каких-то природных смесей, например: кукурузный экстракт, экстракт солодовых ростков, дрожжевой автолизат и т. д.

Питательные среды бывают:

- синтетические - они составляются строго по регламенту только из чистых органических и неорганических веществ, то есть их состав полностью известен, применяют только в лабораториях;

- природные среды - составляются из любых отходов и полупродуктов, получаются более дешевые среды, которые применяются в промышленности;

- полусинтетические среды - смесь первых и вторых.

Дата добавления: 2014-01-04