Тема 6.2. Производство витаминов

Витамины – незаменимые органические вещества различной химической природы. При их недостатке нарушается обмен веществ, что приводит к патологиям организма. Витамины могут образовывать только растения и микроорганизмы. С помощью микроорганизмов получают лишь особо сложные по строению витамины: В₂; В₁₂; β -каротин; предшественники витамина D. Остальные витамины получают химическим путем из  природных источников.

Витамины используют как:

· лечебные препараты;

· пищевые добавки для сбалансирования пищевых и кормовых рационов;

· для интенсификации микробиологических производств.

 

Получение витамина В₂ (рибофлавина)

До 30-х гг. ХХ века витамин В₂ получали из природного сырья: из  1 т моркови получали 1 г а из  1 т печени трески → 6 г витамина.

С 1935 г. стали использовать микробиологический синтез. Много В₂ могут образовывать некоторые дрожжи, бактерии, микроскопические  грибы. Наиболее активный продуцент -  гриб Eremothecium ashbyii: 1 т питательной смеси  дает 1 кг В₂.

Технология получения проста:

1) приготовление питательной среды;

2) получение посевного материала;

3) ферментация;

4) упаривание культуральной жидкости;

5) сушка концентрата.

 

1) Состав жидкой питательной среды: 1-3% углеводов, (глюкоза, патока, меласса, гидролизат кукурузного экстракта); 3-8% источника азота (нитраты,  NH₃); микроэлементы; некоторые витамины и аминокислоты. После стерилизации добавляют  антибиотики и антисептики.

2) Посевной материал -  споры E. ashbenyii, полученные при выращивании на пшене (7-8 дней, 28-30 º С).

3) Глубинное культивирование при температуре 28-30 º С и интенсивной аэрации 0-84 ч; культуральная жидкость содержит до 1, 4 мг/мл витамина.

4) Культуральную жидкость  подвергают термообработке и упариванию под вакуумом – до концентрации  сухого вещества 30-40%.

5) Концентрат высушивают в распылительной сушилке до влажности 10%. Смешивают с наполнителем. Готовый порошок желто-бурого цвета, содержит  10 мг/г В₂ и другие  витамины (В_{1, 3, 6, 12,} РР).

 

Получение цианкобаламина

Объем производства составляет   9000-12000 кг в год, 6500кг приходится на  медицинские препараты, остальное – корм. Открытв 1948 г. (Англия, США); 1972 г. начался  химический синтез его предшественника (37 стадий).

Значение В₁₂: регулирует углеводный и липидный обмен, метаболизм аминокислот, стимулирует образование гемоглобина, в медицине (анемия, лучевая болезнь, печень, полиневрит) и др.

Из 1 т печени получают  15 мг витамина В_12.  Единственный промышленный способ – микробиологический. Но не известен механизм регуляции биосинтеза.

Продуценты: актиномицеты, метанообразующие бактерии, фотосинтезирующие бактерии, пропионовокислые бактерии.

Выпускаютсявысокоочищенные препараты (пропионовая кислота ч. культ.) и кормовой концентрат (КМВ-12) – концентрат микробный витаминный - смешанная культура микроорганизмов.

Для получения высокоочищенного препарата витамина В₁₂ используют бактерии p. Propionibacterium; за рубежом и у нас freu denreichii var. shermanii.

Технология:

1) приготовление питательной среды (глюкоза, казеин, витамины, неорганические соли, хлорид кальция);

2) посевной материал;

3) ферментация  при нейтральной рН, непрерывно добавляют щелочь для нейтрализации кислот. Через 3 суток добавляют предшественников - 5, 6 ДМБ (5, 6-диметилбензинидазол). Ферментация длится  5-6 суток при температуре  28-30 º С. Концентрация витамина в культуральной жидкости достигает  21-23 мг/л. А при использовании мутантного штамма -  30 мг/л.

4) Витамин В₁₂ находится в клетках. Для его выделения  биомассу сепарируют, экстрагируют В₁₂ водой (рН  4-5). К водному раствору добавляют  NaOH (рН до 7), AlSO_4, FeCl₃ (коагуляция белков); фильтруют через фильтр -пресс. Используют ионообменные смолы, дополнительная очистка органическими растворителями, кристаллизуют, кристаллы сушат.

Используется дорогая антикоррозийная аппаратура; сложные и дорогие питательные среды.

Усовершенствование → удешевление питательной среды; переход на непрерывное культивирование.

 

Получение КМВ-12 кормового микробного витаминного концентрата

Более простая, дешевая технология, разработана в СССР.

1. Сырье: ацетонобутиловая и спиртовая барда (от заводов по переработке зерна и мелассы), к ней добавляют CaCl₂ (в состав В₁₂ С₀) и низшие жирные кислоты, жирные  спирты (для роста метанообразующих бактерий). Питательную среду специально не стерилизуют, нагревают до температуры  100 º С и охлаждают до 55-57 º С.

2. Культура - смешанная: термофильные углеводсбраживающие и аммонифицирующие бактерии (I фаза, см. ниже); метанообразующие бактерии (II фаза, см. ниже).

3. Ферментация: 2 фазы: I фаза = 10-12 дней, рН 5-7, сбраживают органические соединения в жирные кислоты и аммиак; II фаза = подщелачиваем до 8, 5, сбраживает кислоты до СН₄ и СО₂, накапливая В₁₂. Глубинное культивирование, непрерывное – год, 2-3, 5 сут., рН = 6, 3-6, 5.

4. Продукт ферментации стабилизируют(HCl / H₃PO₄), чтобы витамин В₁₂ не разрушался при последующей тепловой обработке – нагревании для дегазации. При этом добавляют пеногаситель, так как образуется много пены.

5. Упаривается в вакууме (до 20% сухих веществ).

6. Высушивается в распылительной  сушилке до влажности15%, смешивают с наполнителем. Готовый препарат содержит В_{1, 2, 6,} РР, фолиевую кислоту, биотин, аминокислоты. Концентрация - 100 мкг/г (доза - 50-100 мг/т), очень гигроскопичен.

Процесс получения В₁₂ - пример экологически чистой безотходной технологии. Сырье – массовые  отходы, конечный продукт – биогаз (64% СН₄ и 30% СО₂), может использоваться как биотопливо; а биомасса метанообразующих бактерий – источник БАВ.

Россия экспортирует В₁₂  в Польшу, Германию, Чехию, Словакию и др.

Получение β -каротина и витамина D ₂

Из β -каротина в печени синтезируется  витамин А. β -каротин образуется в растениях  (1  г моркови – 60 мкг),  образуют микроорганизмы (1 г биомассы - 10-50 тыс. мкг).

Продуценты: фототрофные бактерии, актиномицеты, плесневые грибы, дрожжи Blakeslea trispora.

Технология: периодическое и непрерывное, как при производстве витамина В₂. Питательная среда – мука из семян хлопка, меласса, растительное масло, кукурузный экстракт. Ферментация 72 ч при интенсивной аэрации, температуре  28-30 º С, рН = 6, 2-6, 7.

Получение витамина D₂

1. Питательная среда характеризуется  очень большим соотношением С: N

2. Продуценты – дрожжи (S. cerev., S. carsbergensis), мицелярные  грибы (Aspergillus, Penicillium).

3. Ферментация при повышенной температуре и аэрации, накапливается в клетках  эргостерин.

4. Клетки  облучают УФ (280 нм), при этом  эргостерин превращается в витамин D_2.      

5. Получение из клеток витамина D₂: гидролиз клеточной суспензии  (HCl, 110 º C), затем фильтрат  упаривают,   концентрируют.   

 

Тема 6.3 Производство антибиотиков

 

Антибиотики, или антибиотические вещества, — это синтези­руемые живой клеткой органические соединения, способные в небольших концентрациях подавлять рост микроорганизмов или даже полностью уничтожать чувствительные к ним виды микроорганизмов. Их продуцируют клетки не только клетки микроорга­низмов и растений, но и животных. Есть антибиотики  широкого спектра действия (тетрациклины, хлорамфеникол) и узкого спектра (пенициллин, новобиоцин).

Синтез антибиотиков микроорганизмами - это наследствен­ная форма антагонизма, это вторичные метаболиты.Каждый вид микроорганизмов способен образовывать один или несколько строго специфичных для него антибиотических веществ.

Антибиотики используются в медицине (широко), ветеринарии, (животноводстве, для борьбы с болезнями растений), в научных исследованиях; в пищевой и консервной промышленности, для борьбы с посторонней микрофлорой в некоторых микробиологических  производствах.

Добавление антибиотиков в корм животных и птиц приводит не только к снижению забо­леваемости, но и к ускорению их роста, увеличению продуктив­ности. Кормовые антибиотики добавляют в корм в составе премиксов в виде неочищенных препаратов.

Антибиотики, используемые в качестве кормовых добавок, не следует применять в медицине, чтобы избежать возможного возникновения устойчивых к ним штаммов патогенных бакте­рий.

 

Производство кормовых препаратов антибиотиков

В России чаще всего призводят и используют  кормовые препараты тетрациклина, бацитрацина, гризина.

 Препараты тетрациклина. Тетрациклиновые антибиотики представляют  собой  амфотерные соединения, они  плохо растворяются в воде, неустойчивы к действию окисли­телей. Способны флуоресцировать в УФ-свете. Например: окситетрациклин используется в животноводстве, выпускается в растворимой  форме — терравит Р и в кормовой форме — терравит К.

Продуцентом окситетрациклина являются штаммы культу­ры р. Actinomyces.

 

Технологический процесс

1) Получение посевного материала.

Споры выращивают в колбах на качалках, а затем в посевном аппарате при температуре 26-28 °С в течение 2-3 сут на каждом этапе. Далее в посевных аппара­тах большего объема.

2) Ферментация.

Питательная среда: кукурузная мука, поваренная соль, кукурузный экстракт, мел, сульфат аммония, кашалотовый жир.

Ферментация: периодическое или непрерывное культивирование при температуре  26-28°С, аэрации, 4-5 сут.

Особенность: при получении антибиотиков двухфазность. Во второй фазе интенсивность роста продуцента и скорость потребления питательных веществ снижаются, а биосинтез окситетрациклина возрастает.

3) Упаривание культуральной жидкости. Производится при 50-60 °С до

Сухого веса 15 %.

4)  Сушка и стандартизация препарата. На входе 160-200 °С, а на выходе 70-80 °С.

 

Препараты окситетрациклина стандартизуют, усредняя нейтральным наполнителем кукурузной мукой или свекловичным жомом до требуемой активности.

Препараты бацитрацина. Бацитрацины — полипептидные антибиотики. Бацитрацин эффективен  против грамм положительных  аэробных и анаэробных бактерий. Биологиче­ский эффект его действия повышается при использовании вме­сте с другими антибиотиками. Бацитрацин стимулирует рост молодняка животных.

Продуцентом бацитрацина являются штаммы культуры Bacillus licheniformis.

Сырье: крахмал, сульфаты магния и марганца, хлориды натрия и ка­лия, фосфат калия, лимонная кислота.

 Препараты гризина. Гризин - полуфракционный антибио­тик, относящийся к группе стрептотрицинов. Антибиотики этой группы построены из остатков двух основных аминокислот (ли­зина и стрептолидина) и одного аминосахара (а-/Д-гулозалина).

Гризин активен против грамположительных и грамотрицательных бактерий, микроскопических грибов. При скармливании молодняку животных антибиотик стимулирует их рост и повы­шает плодовитость.

Продуцентом гризина является культура Actinomyces griseus. В производстве препаратов гризина принята такая же тех­нология, что и в описанных выше производствах кормовых антибиотиков. Среда: крахмал, кукурузная мука, соль, мел, нитрат аммония, дигидрофосфат калия.

 

ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ К РАЗДЕЛУ 6

 

1. Какие существуют способы промышленного производства аминокислот? Какие сырье и продуценты (метаболические особенности) используют при микробном синтезе аминокислот?

2. Опишите технологию получения лизина микробиологическим способом (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

3. Опишите особенности химико-микробиологического синтеза лизина, триптофана, аланина, глутамина, серина.

4. Опишите технологию получения глутаминовой кислоты микробным синтезом (сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

5. Опишите технологию получения треонина, триптофана микробиологическим способом (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

6. Опишите технологию получения витамина b-каротина (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

7. Опишите технологию получения витамина В₂ (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

8. Опишите технологию получения витамина В₁₂ (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование, виды получаемых препаратов).

9. Опишите технологию получения витамина D₂ (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

10. Рибофлавин. Продуценты. Путь биосинтеза рибофлавина и его регуляция. Получение и применение.

11. Приведите классификацию антибиотиков. Какие микроорганизмы используются в качестве продуцентов антибиотиков?

12. Опишите технологию получения тетрациклина (схема, сырье, продуценты, режимы и условия, оборудование).

13. Какие микробные ферменты выпускает микробиологическая промышленность и где они используются?

14. Какие микроорганизмы являются продуцентами ферментов?

15. Какие существуют методы выделения, очистки ферментов и их перевода в хранящуюся форму?

16. Чем отличается получение неочищенных, технических и очищенных ферментных препаратов? Получение препаратов с индексом П2х, Г2х, П3х, Г3х, П10х, Г10х. Получение кристаллических ферментных препаратов.

17. Биосинтез гиббереллинов микроорганизмами. Значение. Продуценты.

18. Промышленное получение. Производство нуклеотидов. Сфера применения.

19. Синтез АТФ, НАД, инозиновой кислоты, гуанозинполифосфатов. Продуценты. Особенности биосинтеза.

20. Промышленное получение липидов. Химический состав липидов микроорганизмов. Продуценты липидов. Среды, сырье. 

21. Промышленное получение полисахаридов. Продуценты. Условия культивирования микроорганизмов и биосинтеза полисахаридов, контрольные механизмы. Практическое использование полисахаридов в пищевой, лакокрасочной, текстильной, бумажной, фармацевтической, косметической промышленности и в медицине.

22. Перспективы промышленного получения и применения бактериальных и грибных экзополисахаридов.

 

Рекомендуемая литература для самостоятельной работы к разделу 6

1. Аркадьева З.А. и др. Промышленная микробиология / Под ред. С.Егорова. – М: Высш. шк. 1989. – 688 с.

2. Банникова Л.А., Королева Н.С., Семенихина В.Д. Микробиологические основы молочного производства. М.: Гелан, 2001.

3. Бекер М.Е. Биотехнология микробиологического синтеза.- Рига, 1980. 5. 5. 

4. Биотехнология / Под ред. А.А. Бабаева.- М.: Наука, 1984.- 1-8 вып.

5. Виестур У.Э., Кузнецов А.М., Савенков В.В. Системы ферментации. – Рига: Занатне, 1986. – 174 с.

6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология.- М.: МГУ, 1989

7. Воробьева Л.И. Техническая микробиология.- М.: МГУ, 1987

8. Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. - М.: Пищевая промышленность, 1975. – 392 с.

9. Жарикова Г.Г., Козьмина А.О. Микробиология, санитария и гигиена пищевых продуктов. М.: Гелан, 2001.

10. Жвирблянская А.Ю., Бакушинская О.А. Микробиология в пищевой промышленности.- М.: Пищевая промышленность, 1975.

11. Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. – М.: Агропромиздат, 1990. – 271 с.

12. Квеситадзе Г.И., Безбородов А.М. Введение в биотехнологию. – М.: Наука, 2002. – 284 с.

13. Кишковская С.А., Разуваев В.С. Основы микробилогии, санитарии и гигиены в винодельческой промышленности.- М.: Агропромиздат, 1986.

14. Королева Н.С. Техническая микробиология цельномолочных продуктов. М.: Изд-во «Пищевая промышленность», 1975.

15. Лобанок А.Г., Астапович Н.И., Михайлова Р.В. Биотехнология микробных ферментов. – Мн.: Наука и техника, 1989. – 205 с.

16. Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. Общая технология микробиологических производств. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. – 264 с.

17. Яковлев В.И. Технология микробиологического синтеза. – Л.: Химия, 1987. – 272 с.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: