- •020209.65 «Микробиология»
- •Глава 1. Характеристика микроорганизмов - объектов биотехнологических производств
- •1.1. Строение прокариотической (бактериальной) клетки
- •1.2. Размножение бактерий
- •1.3. Строение эукариотической клетки
- •1.4. Характеристика наиболее важных представителей различных классов грибов, их размножение
- •1.5. Дрожжи. Их формы, размеры. Размножение дрожжей. Принципы классификации дрожжей
- •Глава 2. Метаболизм. Принципы регуляции обмена веществ микрорганизмов
- •Глава 3. Генетика микроорганизмов. Пути совершенствования микробиологических производств методами генной инженерии
- •3.1. Генотип и фенотип микроорганизмов
- •3.2. Формы изменчивости микроорганизмов
- •3.3. Типы мутантных штаммов продуцентов
- •3.4. Способы получения мутантных штаммов микроорганизмов
- •3.4.1. Селекционные методы получения мутантов
- •3.4.2. Генетическая модификация микроорганизмов
- •3.4.3. Методы генной инженерии
- •3.4.4. Конструирование рекомбинантной днк
- •3.4.4.1. Встраивание днк в вектор
- •3.4.4.2. Генетическая трансформация клеток бактерий
- •3.4.4.3. Экспрессия чужеродных генов в клетках бактерий
- •Глава 4. Культивирование микроорганизмов
- •4.1. Рост и развитие микроорганизмов
- •4.2. Оптимальные условия культивирования
- •4.3. Промышленные способы культивирования микроорганизмов
- •Глава 5. Общие принципы биотехнологических производств
- •5.1. Основная схема технологического процесса
- •Х ранение
- •5.2. Этапы технологического процесса
- •5.2.1. Приготовление питательной среды
- •5.2.2. Подготовка посевного материала
- •5.2.3. Ферментация (культивирование)
- •5.2.4. Выделение целевого продукта
- •5.2.5. Очистка целевого продукта
- •Глава 6. Производство микробной биомассы
- •6.1. Получение и использование биомассы одноклеточных
- •6.1.1. Получение дрожжевого белка
- •6.1.2. Получение бактериальной биомассы
- •6.1.3. Получение грибного белка (микопротеина)
- •Получение водорослевого белка
- •6.2. Получение энзиматически активной биомассы
- •6.2.1. Получение хлебопекарских дрожжей
- •6.2.2. Получение заквасок молочной промышленности
- •6.2.3. Получение бактериальных удобрений
- •6.3. Получение и использование микробных инсектицидов
- •6.3.1. Получение бактериальных энтомопатогенных препаратов
- •6.3.2. Получение грибных энтомопатогенных препаратов
- •6.3.3. Получение вирусных энтомопатогенных препаратов
- •6.4. Получение и использование вакцин
- •Глава 7. Производство ферментных препаратов
- •7.1. Технология получения ферментов микроорганизмов
- •7.2. Иммобилизованные ферменты
- •7.3. Иммобилизация клеток
- •7.4. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток
- •Глава 8. Получение продуктов микробиального синтеза
- •8.1. Биотехнология получения первичных метаболитов
- •8.1.1. Производство аминокислот
- •8.1.2. Производство витаминов
- •8.1.3. Производство органических кислот
- •8.2. Биотехнология получения вторичных метаболитов
- •8.2.1. Получение антибиотиков
- •8.3. Биотехнология получения метаболитов, с использованием генномодифицированных микроорганизмов
- •Глава 9. Использование микроорганизмов в пищевой промышленности
- •9.1. Производства, основанные на спиртовом брожении
- •9.1.1. Хлебопекарное производство
- •9.1.2. Производство пищевого спирта
- •9.1.3. Производство пива
- •9.1.4. Производство вина
- •9.2. Производства, основанные на молочнокислом брожении
- •9.2.1. Производство кисломолочных продуктов
- •9.2.2. Производство сыров
- •Глава 10. Использование микроорганизмов в охране окружающей среды
- •10.1. Биологическая обработка органических отходов
- •10.1.1. Биологическая очистка сточных вод
- •10.1.2. Биологическая обработка твердых отходов
- •10.2. Биоремедиация загрязненных почв и грунтов
- •Глава 11. Использование микроорганизмов в технологии металлов
8.1.3. Производство органических кислот
В настоящее время биотехнологическими способами в промышленных масштабах синтезируют ряд органических кислот. Из них лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты получают лишь микробиологическим способом, молочную, салициловую и уксусную – как химическим, так и микробиологическим способами, а яблочную – химическим и энзиматическим путем.
Получение лимонной кислоты. Лимонная кислота впервые была выделена из сока лимона и перекристаллизована Шееле. В лимонах содержится 7 – 9 % этой кислоты; в Италии и Испании до сих пор ее получают из лимонов, но на 99 % ее продукция основана на микробиологическом синтезе. Объем мирового производства цитрата составляет 400 тыс. т/год.
Большая часть лимонной кислоты (70 %) используется в пищевой промышленности, около 12 % в фармацевтической промышленности и около 18 % – для технических целей. Использование лимонной кислоты в пищевой промышленности обусловлено ее хорошей растворимостью, низкой токсичностью и приятным кислым вкусом. Лимонная кислота образует хелаты с металлами, поэтому ее применяют для их очистки.
Способность грибов образовывать лимонную кислоту при росте на средах с углеводами впервые была установлена немецким ученым Вемером в 1893 г. Для промышленного производства лимонной кислоты используют главным образом культуру гриба Aspergillus niger, а также A. wentii.
Метаболический путь. Лимонная кислота – обычный метаболит цикла трикарбоновых кислот, в небольшом количестве присутствует в клетках разных микроорганизмов. Некоторые грибы (в первую очередь A. niger) способны синтезировать огромное количество этой кислоты. Накопление в культуральной среде существенных количеств цитрата – промежуточного соединения цикла Кребса – невыгодно для организма и является следствием дисбаланса метаболизма или нарушения его генетической природы. Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании роста грибов-продуцентов минеральными компонентами среды и одновременном избыточном содержании источника углерода. В условиях лимитирования роста гриба недостатком одного или нескольких минеральных компонентов (Fe, Mn, N, Р или S) после полного поглощения из среды дефицитного элемента он прекращает расти, однако продолжает потреблять имеющийся в среде источник углерода. При этом в клетках гриба начинает накапливаться лимонная кислота, которая в дальнейшем выделяется в среду.
Технология получения. В настоящее время получение лимонной кислоты биотехнологическими способами широко применяется в промышленности. Разработаны технологии получения лимонной кислоты как поверхностным, так и глубинным способами. Основной питательной средой в обоих случаях служит меласса – отход сахарного производства, она содержит 48 – 50 % сахара. Для хорошего роста и развития гриба среда должна содержать минеральные соли: NH4Cl, KH2PO4, ZnSO4. В мелассе содержатся соли тяжелых металлов, угнетающие рост гриба и образование лимонной кислоты. Для осаждения этих солей к мелассе добавляют желтую кровяную соль K4[Fe(CN)6].
Процесс ферментации, ведущий к образованию лимонной кислоты, проводят при низких значениях рН (3 – 4), что облегчает поддержание стерильных условий ферментации и уменьшает возможность образования побочных продуктов. Предполагают, что в кислой среде стимулируется гликолиз, что обеспечивает направление потока углерода в цикл Кребса. В щелочной среде происходит накопление щавелевой и глюконовой кислот. В процессе ферментации можно выделить две фазы: 1) активного роста гриба и 2) интенсивного кислотообразования, рост мицелия в этот период становится незначительным.
На первой стадии идет рост мицелия, а на второй, после выхода культуры в стационарную фазу – интенсивный синтез лимонной кислоты. В конце ферментации массу мицелия отделяют путем фильтрования и промывают. Затем при рН < 3,0 в виде кальциевой соли осаждают щавелевую кислоту, а из маточного раствора выделяют лимонную кислоту в форме средней соли, кристаллизующейся в комплексе с четырьмя молекулами воды. Свободную кислоту выделяют из промытых кристаллов соли после их обработки сульфатом кальция. Высокоочищенные препараты лимонной кислоты получают после дополнительной процедуры очистки методом ионообменной хроматографии. Выход продукта составляет 85 %.