Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Микробиологическая промышленность
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Луканин Александр Васильевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 304
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-011479-8
ISBN-онлайн: 978-5-16-103738-6
Артикул: 456900.06.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Приведен практический материал по технологии получения продуктов микробиологического синтеза для пищевой, микробиологической, медицинской, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности. Рассмотрены типовые схемы и основные стадии биотехнологического производства при поверхностном и глубинном культивировании, а также процессы получения стерильного сжатого воздуха, стерилизации питательных сред, аэрации, перемешивания, пенообразования, пеногашения. Дана классификация и описание применяемых аппаратов, приборов, материалов с практическими рекомендациями их эффективного использования, а также методы оценки работы и расчета аппаратов.
Учебное пособие соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии.
Тематика:
ББК:
- 301: Общетехнические дисциплины
- 355: Технология органических веществ
- 663: Внутренняя политика. Внутреннее положение
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 19.03.01: Биотехнология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств, 2024, 456900.07.01
Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств, 2020, 456900.04.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ИНЖЕНЕРНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ А.В. ЛУКАНИН Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология» (квалификация (степень) «бакалавр») Москва ИНФРА-М 202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
УДК 663.1(075.8) ББК 30.16я73 Л84 А в т о р: Луканин А.В., доктор технических наук, профессор Р е ц е н з е н т ы: Градова Н.Б., доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева; Ксенофонтов Б.С., доктор технических наук, профессор, руководитель отдела НИИ энергетического машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана ISBN 978-5-16-011479-8 (print) ISBN 978-5-16-103738-6 (online) © Луканин А.В., 2016 Луканин А.В. Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 304 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/18209. ISBN 978-5-16-011479-8 (print) ISBN 978-5-16-103738-6 (online) Приведен практический материал по технологии получения продуктов микробиологического синтеза для пищевой, микробиологической, медицинской, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности. Рассмотрены типовые схемы и основные стадии биотехнологического производства при поверхностном и глубинном культивировании, а также процессы получения стерильного сжатого воздуха, стерилизации питательных сред, аэрации, перемешивания, пено образования, пеногашения. Дана классификация и описание применяемых аппаратов, приборов, материалов с практическими рекомендациями их эффективного использования, а также методы оценки работы и расчета аппаратов. Учебное пособие соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения. Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии. УДК 663.1(075.8) ББК 30.16я73 Л84
Введение С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных продуктов и т.д. Однако биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в. благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась ми- кробиологическим производством ацетона и бутанола, антибио- тиков, органических кислот, витаминов, кормового белка. В СССР в 1930-е гг. были построены первые заводы по полу- чению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельско- хозяйственных отходах и сульфитных щелоках, успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. В последующие годы биотехнологические разработки широко ис- пользовались в нашей стране для освоения производств антибио- тиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ро- стовых веществ, пестицидов. Разработаны технологии по получению новых источников энергии биотехнологическим путем – технологи- ческая биоэнергетика. Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области био- химии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизне- деятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче на- следственной информации, расшифровка генетического кода, рас- крытие механизма индукции и репрессии генов, совершенствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генети- ческая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притя- жения и созданием средств электроники. Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение ме- ханизмов функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к направленной модификации белков и привели к ро- ждению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инстру- ментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности.
Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. Биотехнология – междисципли- нарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обуслов- ливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, би- охимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологи- ческого оборудования и др. В качестве основных задач биотехнологии определены создание: • новых биологически активных веществ и лекарственных препа- ратов для медицины, позволяющих осуществить в здравоохра- нении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний – сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфек- ционных, в том числе вирусных; • микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблаго- приятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельско- хозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии; • кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных пре- паратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных; • новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности; • технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удо- брений.
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ Биотехнологические процессы основываются на функциони- ровании либо клеток, либо изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. В производствах большинства органических кислот и аминокислот, растворителей, ферментов, полисахаридов и т.д. – ферментационный процесс реализуют, используя активные, специально селекционированные культуры микроорганизмов. Культуры микроорганизмов применяют также при тонком биосинтезе антибиотиков, витаминов, гормонов. Даже если процесс ферментации осуществляют биологические агенты, полученные методами генной и клеточной инженерии, важно знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять их ростом и метаболизмом и получать целевой продукт с максимальным выходом и при высокой интенсивности процесса ферментации. Именно поэтому мы считаем, что биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности. 1.1. ЖИВАЯ КЛЕТКА – ОСНОВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению чрезвычайно большого разнообразия живых существ. По химическому составу они очень сходны: основные компоненты всякой клетки – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и др. Од- нако имеются заметные различия между клетками бактерий и циано- бактерий, с одной стороны, и животными и растительными клетками (включая также микроскопически малых представителей) – с другой. Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли), не имеющие окруженного мембраной ядра и других окруженных мембраной вну- триклеточных органелл, называют прокариотами. Клетки животных, растений, водорослей, грибов и простейших имеют истинное ядро, в котором находится ДНК в виде хромосом, и другие органеллы, на- пример митохондрии и хлоропласты (у растений). Такие организмы, в том числе и одноклеточные с подобной организацией клеток, на- зывают эукариотами. Условно к живым существам можно отнести вирусы, которые не способны размножаться самостоятельно и их репродукция может происходить только внутри живых клеток. Первичным источником энергии для биологических процессов является Солнце. Каждую секунду оно излучает такое количество
энергии, которое эквивалентно примерно 4 млн т массы. Часть сол- нечной энергии доходит до Земли в виде фотонов света (квантов) – дискретной электромагнитной энергии, из которой только от 0,1 до 1,0% используется фотосинтезирующими организмами. Но даже из этого количества усвоенной энергии в течение года в процессе фотосинтеза образуется 164 млрд т органической массы. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию, отщепляют от молекулы воды водород и выделяют кислород. В про- цессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды с использованием солнечной энергии образуются органические вещества, в первую очередь глюкоза. Солнечный свет как источник энергии могут использовать также пурпурные и зеленые бактерии. Эти бактерии не способны исполь- зовать водород воды и поэтому не выделяют О2. Донорами водо- рода для этих клеток служат H2S, H2 или органические вещества. У данных бактерий фотосинтез осуществляется через бактериохло- рофиллы, а их красная и оранжевая окраска обусловливается каро- тиноидами. В природе встречаются также микроорганизмы, которые спо- собны синтезировать органические соединения из СО2 без помощи хлорофилла и без прямого использования солнечной энергии. Источником энергии здесь служит энергия окисления неорганических веществ. К таким хемосинтезирующим микроорганизмам относятся нитрифицирующие бактерии, которые, окисляя аммиак до азотистой кислоты, высвобождают необходимую для синтеза энергию. К хемосинтетикам относятся также водородные бактерии, получающие энергию в процессе окисления молекулярного водорода. Водородные бактерии, культивируемые в питательной среде, которая содержит минеральные вещества и смесь газов Н2, O2 и СО2, дают богатую белками микробную массу. Так как Н2 и О2 можно получить электролизом воды, пригодную для целей питания и животноводства органическую массу можно добывать из минеральных веществ, воды, воздуха и электроэнергии. Как известно, микроорганизмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из СО2 в процессе хемо- или фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для существования которых необходимы уже готовые органические вещества, – гетеротрофными. В круговороте углерода в природе принимают участие как авто-, так и гетеротрофные организмы, причем существует определенное равновесие между фиксирующими СО2 фотосинтезирующими организмами (главным образом растениями) и микроорганизмами, разрушающими органические соединения. К наиболее распространенным в природе и широко исполь- зуемым в микробиологической промышленности группам отно-
сятся микроскопические грибы (дрожжи и плесени), актиномицеты (образуют подобие мицелия), а также бактерии. Размеры их клеток обычно 0,5–10,0 мкм, они хорошо видны в световом микроскопе. Размер вирусов колеблется от 10 до 100 нм, а вироиды и того меньше. В клетках бактерий паразитируют бактериофаги, или вирусы бак- терий. Они не видны в обычном световом микроскопе. В биотехнологии широко используют также культуры клеток и тканей животных и растений, техника работы с которыми во многом сходна с техникой работы с микроорганизмами [2; 14]. 1.2. МИКРООРГАНИЗМЫ, ИХ СВОЙСТВА Все виды микробов носят название «протисты», или «про- стейшие». Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру, именуются протофитами (простейшие растения), а к животному миру – протозоями (простейшие животные). Большинство микроорганизмов – одноклеточные существа, ви- димые только под микроскопом. К ним относятся бактерии, акти- номицеты, дрожжи, риккетсии и некоторые водоросли. К многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и боль- шинство плесневых грибов, которые иногда достигают таких раз- меров, что бывают видимы невооруженным глазом. Кроме многоклеточных и одноклеточных микроорганизмов, в природе существуют живые существа бесклеточной структуры – ультрамикробы. Из них наиболее важное значение имеют вирусы и бактериофаги. Бактерии Это обширная группа мельчайших, преимущественно однокле- точных организмов (рис. 1.1). Они относятся к растительному миру. По внешней форме бактерии делят на три основные группы: ша- ровидные (кокки), палочковидные или цилиндрические (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы и спирохеты). Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цито- плазмы, ядерного аппарата и цитоплазматических включений. Оболочка клетки тонкая, отчетливо очерченная, относительно плотной структуры, толщиной от 100 до 600 Å, составляет около 20% веса ее сухой массы. Клеточную оболочку можно выявить с помощью специальной окраски. В неокрашенном виде она заметна только у крупных бакте- риальных форм, например у железобактерий и серобактерий. Оболочка придает клетке определенную форму, регулирует про- хождение (внутрь) питательных элементов, выделение (наружу) про- дуктов обмена, ферментов и других веществ.
2 3 4 5 6 13 20 12 19 11 18 10 17 9 16 8 15 7 14 1 Рис. 1.1. Схема строения бактериальной клетки: 1 — гранула поли-β-оксимасляной кислоты; 2 — жировые капельки; 3 — вклю- чения серы; 4 — трубчатые тилакоиды; 5 — пластинчатые тилакоиды; 6 — пузырьки; 7 — хроматофоры; 8 — ядерное вещество (нуклеоид); 9 — рибосомы; 10 — цито- плазма; 11 — базальное тельце; 12 — жгутики; 13 — капсула; 14 — клеточная стенка; 15 — цитоплазматическая мембрана; 16 — мезосома; 17 — газовые вакуоли; 18 — ла- меллярные структуры; 19 — гранулы полисахарида; 20 — гранулы полифосфата Оболочка защищает клетку от воздействия внешней среды и вы- держивает значительное внутриклеточное осмотическое давление (3–6 атм). В зависимости от особенностей химического состава обо- лочки все виды бактерий неодинаково относятся к одному из диф- ференциальных способов окраски, разработанных датским ученым Грамом. По этому способу окраски бактерии могут быть разделены на грамположительные – окрашивающиеся в фиолетовый цвет (меньшинство видов) и грамотрицательные – окрашивающиеся в розовый цвет (большинство видов). Капсула имеется на поверхности оболочки некоторых видов ми- кроорганизмов. У одних видов она представляет собой утолщенную оболочку, у других– слизистый слой. Чаще всего капсула и клеточная оболочка – отдельные структурные элементы. Капсульное вещество
состоит из полисахаридов, глюкопротеидов или полипептидов, а у некоторых видов – из протеинов. Капсула защищает клетку от не- благоприятного действия внешней среды (высушивание, фагоцитоз и др.). У многих видов бактерий капсула образуется при высоком содержании в питательной среде углеводов и низком – белков. Цитоплазматическая мембрана (перипласт) – внешний слой ци- топлазмы, тесно прилегающий к клеточной стенке. Цитоплазмати- ческая мембрана обладает физическими и химическими свойствами, отличающими ее от остальной цитоплазмы. Толщина мембраны не превышает 50–100 Å. Она служит местом интенсивной физиоло- гической активности, так как является носителем многих ферментов. Мембрана защищает цитоплазму. Кроме того, она поддерживает постоянное внутриклеточное осмотическое давление, задерживает в цитоплазме питательные вещества и соли и одновременно спо- собствует выделению продуктов обмена. Цитоплазматическая мем- брана обладает избирательной проницаемостью, от которой зависит жизнь клетки. Она составляет свыше 10% веса сухой клетки и со- стоит из липидов, протеинов и углеводов. Цитоплазма у бактерий представляет прозрачную водянистую или слегка вязкую однородную смесь коллоидов. В ней могут быть суспендированы также пигменты, запасные питательные вещества и жиры. Химический состав цитоплазмы представляет сложную смесь белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, воды и других органических соединений. Она содержит те же амино- кислоты, что и белки высших растений. В цитоплазме бактерий совершаются сложные процессы обмена веществ, в результате вну- тренняя структура клетки беспрерывно обновляется. Цитоплазма обладает мелкогранулярной структурой. В цитоплазме бактериальной клетки находятся различные вклю- чения. Митохондрии – образования в виде мелких зерен, богатые рибо- нуклеиновой кислотой (РНК), содержащие окислительно-восста- новительные ферменты. Рибосомы – множество мелких гранул, богатых белком и рибону- клеиновой кислотой. Они являются основным местом, где проис- ходит биосинтез белков. Волютин – комплекс неорганических метафосфатов с рибонукле- иновой кислотой. Его считают запасным питательным веществом микробов при голодании. Наряду с этим встречаются гранулы, содержащие гликоген, жир, серу, железо, из которых одна часть служит запасным питательным материалом, а другая – продуктами обмена. Ядерный аппарат бактериальной клетки истинных бактерий рас- сматривается как своеобразный пузырек, расположенный в цент-
ральной части цитоплазмы. Ядерное вещество представляет собой нуклеоид. В отличие от эукариотической клетки ДНК бактери- альной клетки не связана с гистонами и не отделена от цитоплазмы ядерной мембраной. Фибриллы бактериальной ДНК достаточно правильно ориентированы, поэтому ядерное вещество можно пред- ставить как образование, расположенное вдоль большего габарита клетки и имеющее толщину около 3–4 нм, но конфигурация нук- леоида очень изменчива. ДНК – обособленный элемент, никогда не смешивающийся с цитоплазмой, в старых клетках ДНК упако- вана более компактно. Предполагают, что весь геном бактериальной клетки представлен одной гигантской замкнутой молекулой ДНК с молекулярной массой 7 · 109. Ее вполне можно расценивать как бактериальную хромосому. Но все же следует помнить, что ДНК бак- терий упакована менее плотно, чем в ядре эукариотической клетки, в ядерном веществе отсутствует мембрана, не найдены ядрышко и набор хромосом, ДНК не связана с основными белками – гисто- нами. Все это свидетельствует об эволюционно более примитивной форме организации ядерного вещества у прокариот. Многие бак- терии имеют капсулу или дополнительные внешние структуры: жгу- тики, фимбрии, структурные тяжи. Споры и спорообразование у бактерий. Спорообразование – это одно из свойств определенных микроорганизмов, которое приобре- тается в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Вегетативные клетки всех образующих споры бактерий имеют цилиндрическую (палочковидную) форму. В группе кокков споро- образование отмечается редко. У извитых форм его не наблюда- ется. При спорообразовании клетка теряет до 60% воды. Цитоплазма постепенно сгущается, собирается в определенном участке клетки и покрывается плотной оболочкой, пропитанной смолистыми и ли- поидными веществами. Плотная оболочка, минимальное содержание воды, высокая концентрация магния и кальция в споре обеспечивают ее высокую устойчивость к вредным воздействиям внешней среды. Она легко переносит высокие температуры, большие концентрации хими- ческих веществ, высушивание. Споры некоторых бацилл сохраняют жизнеспособность при кипячении в течение 1–3 ч и более. Они по- гибают в автоклаве только при 115–125 °С, а также под влиянием сухого жара в печи Пастера (150–170 °С). В высушенном состоянии они могут сохранять жизнеспособность десятки лет. Спорообразование у бацилл наступает обычно при неблагопри- ятных условиях существования. Это не способ размножения, так как каждая клетка образует одну спору и число особей при этом не возрастает.
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти