Питательные среды для микробиологического синтеза

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Одним из основных факторов, влияющих на быстрый рост микроорганизмов и максимальный синтез ими биологически активных веществ, являются специально подобранные синтетические питательные среды. При их подборе следует учитывать ее полноценность, обоснованность и сбалансированность набора различных питательных соединений, необходимых микроорганизму для построения растущей клетки и синтеза конечного целевого продукта.

Для нормального роста и развития микроорганизмов в питательной среде должны присутствовать все элементы, из которых формируется клетка. Многим микроорганизмам для роста в той или иной питательной среде необходим целый ряд дополнительный условий: определенные концентрации водородных ионов, окислительно-восстановительный потенциал среды, требуемые соотношения различных ионов. Некоторые микроорганизмы с нарушенными наследственными признаками (ауксотрофные мутанты) нуждаются в отдельных факторах роста, которые они сами синтезировать не могут: аминокислотах, пуринах, витаминах и др.

Для получения продуктов микробиологического синтеза в зависимости от микроорганизма-продуцента и технологии производства используются отличные по составу питательные среды. В одном технологическом процессе для получения и размножения посевного материала и для стадии производственного культивирования могут применяться среды различного состава.

При этом основными компонентами питательной среды являются источники углерода и азота.

10-60% стоимости продуктов ферментации приходится на стоимость компонентов среды и, прежде всего на стоимость источников углерода. Для снижения затрат в микробиологическом производстве обычно применяют дешевые среды, приготовленные на основе сырья растительного происхождения.

В качестве источника углерода чаще всего используются злаковый крахмал, мелассу, декстрозу, растительное масло, метанол, этанол, н-парафины, целлюлозу, лактозу, уксусную кислоту и др. Считается, что комплексные азотистые вещества (как и углеродные) выгоднее использовать, чем аммоний или его соли, поскольку они обеспечивают высокую скорость ферментации и конверсии, так как содержат дополнительные питательные вещества. В комплексных источниках могут присутствовать не утилизируемые компоненты, которые необходимо отделять от конечного продукта и, соответственно, утилизировать. Кроме того, при наличии простого источника углерода, гораздо легче осуществлять контроль и регуляцию процесса. Использование недорогих питательных веществ известного состава в качестве источников азота более целесообразно для таких процессов, высокую стоимость которых в большей степени определяет собственно процесс ферментации, а не накопление конечного продукта.

При приготовлении сред в промышленных масштабах учитывается состав ингредиентов, качество сырья, вариабельность его химического состава от партии к партии, соотношение С/N, содержание примесей и другие факторы. Для приготовления питательных сред существует четкий, строго регламентированный порядок растворения или суспендирования ингредиентов, изменение значения рН до и после стерилизации.

Изменение температуры (при стерилизации) и аэрации среды вызывают ее качественные изменения, которые существенным образом влияют на динамику процесса культивирования микроорганизмов и, соответственно, накопления целевого продукта.

Наиболее характерным углеродсодержащим сырьем в микробиологическом синтезе являются углеводы. Углеводы – одна из важнейших составных частей питательных сред для выращивания микроорганизмов. Они используются для синтеза клеточных структур и одновременно, как было отмечено выше, служат источниками энергии. В качестве источника углерода в промышленном биосинтезе используют глюкозу и крахмал. В среды для культивирования вводят техническую глюкозу или маточник (гидрол), остающийся после выделения кристаллической глюкозы. Гидрол содержит до 50% редуцирующих сахаров (в пересчете на глюкозу).

При введении в среду технических продуктов их количество рассчитывают по содержанию редуцирующих веществ в пересчете на чистые углеводы. Так, в частности, поступают при использовании в качестве углеродсодержащего сырья отходов переработки сельскохозяйственного сырья: подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки, древесная щепа и др.

Крахмал на 95-97% состоит из полисахаридов, при кислотном гидролизе образующих глюкозу, поэтому может быть использован теми микроорганизмами, которые способны к синтезу амилолитических ферментов.

Биосинтез многих биологически активных веществ осуществляется на питательных средах сложного и зачастую н5епостоянного химического состава. Практически это доступное и дешевое для конкретного региона сырье, содержащее белки, полипептиды или свободные аминокислоты. Чаще всего для этих целей используется кукурузный экстракт, содержащий большинство необходимых для микробного синтеза соединения: белки, крахмал, растворимые углеводы, молочная кислота, минеральные вещества и так далее. Примерный аминокислотный состав кукурузного экстракта составляет, г/кг СВ:

- глицин - 18, 17;

- аланин - 24, 70;

- валин - 19, 64;

- лейцин - 35, 38;

- изолейцин - 6, 57;

- серин - 17, 65;

- треонин - 14, 05;

- аспарагиновая кислота - 26, 88;

- глутаминовая кислота - 64, 95;

- лизин - 16, 72;

- аргинин - 14, 81;

- цистин - 0, 26;

- метионин - 6, 60;

- фенилаланин - 12, 77;

- пролин - 33, 08;

- тирозин - 8, 28;

- гистидин - 14, 36.

Из приведенных данных следует, что сравнительно недорогое сырье содержит практически весь набор аминокислот, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов и, соответственно, продуцирования ими необходимых биологически-активных соединений.

Белковыми веществами также богата соевая мука, которая, также как и кукурузный экстракт, содержит все необходимые аминокислоты, однако, они в реальности представлены в виде высокомолекулярных белков, которые для придания им необходимых качеств необходимо подвергнуть гидролизу.

Из минеральных азотсодержащих веществ наиболее часто применяют аммонийные соли серной, соляной или азотной кислот. Как показала практика, сульфат аммония оказался наиболее пригодным для биосинтеза многих природных соединений. В соединениях, содержащих аммонийный азот, ион аммония находится в химической связи с анионом какой-либо кислоты, например серной или фосфорной. При этом потребность микроорганизма в сере или фосфоре гораздо ниже, чем в азоте. В этой связи при биосинтезе в питательной среде накапливаются анионы с закономерным повышением титруемой кислотности. В этой связи, с целью стабилизации данного параметра, при культивировании в среду добавляют стабилизаторы, в частности - мел. В противном случае снижение кислотности достигают подтитровкой щелочью.

В производстве биологически – активных веществ существует много вариантов и рецептур питательных сред, продуцирующих накопление бакмассы микроорганизмов и, соответственно, синтез целевого продукта. При этом наиболее важным, как отмечалось выше, является обеспечение интенсивного роста популяции и создание фактора лимитирования, без которого синтез целевого продукта невозможен.

Биосинтез лизина осуществляется микроорганизмами рода Micrococcus, Brevibacterium, Corinebacterium и др. В качестве источника углерода данные микроорганизмы используют свекловичную мелассу, кукурузный экстракт, белковые гидролизаты. Источниками азота также служат соли аммония и мочевина. При биосинтезе в качестве факторов роста используются биотин, гомосерин, метионин и треонин. Для Brevibacterium, в частности, используют питательную среду, содержащую в 1 л:

- метионин, мг - 200;

- треонин, мг - 800;

- биотин, мкг - 15-20.

При получении кормового концентрата лизина используется питательная среда следующего состава:

- меласса (содержание сахара 46% от СВ), % - 16, 3;

- экстракт кукурузный (содержание СВ 50%), % - 2;

- сульфат аммония, % - 2;

- KH₂PO₄, % - 0, 05;

- K₂HPO₄, % - 0, 05;

- мел, % - 1.

Полученная среда должна иметь активную кислотность (рН) 6, 9-7, 0.

Биосинтез глутаминовой кислоты (глутамат натрия) ведется по пути создания оптимальных условий для жизнедеятельности бактерий семейства Pseudomonas, Escherichia или дрожжей рода Candida. В общем виде белоксодержащее сырье после гидролиза в результате реакции гидроформилирования превращается в В-формилпропионнитрил, который через стадию образования А-аминоглутардинитрила превращается в D- и L- изомеры. В дальнейшем необходимо выделить L-изомер из раствора. Возможен путь получения L-глутаминовой кислоты из А-кетоглутаровой кислоты переаминированием аминокислот и восстановительным аминированием. В обоих случаях А-кетоглутаровая кислота является предшественницей L-глутаминовой кислоты.

Накопление глутаминовой кислоты в количестве 50 г на 1 л среды достигается при следующих количественных параметрах ингредиентов, %:

- сахароза - 8, 5-10;

- мочевина - 0, 5;

- меласса - 1, 2;

- сульфат марганца - 0, 01;

- KH₂PO₄ - 0, 01;

- К₂НРО₄ - 0, 01.

Биосинтез триптофана ведется путем микробного синтеза на основе бактерий E. coli, Bac. subtilis и дрожжей вида Candida utilis. Производственная питательная среда в одном из вариантов имеет следующий состав, %:

- меласса - 10, 4;

- мочевина - 0, 5;

- К₂НРО₄ - 0, 01;

- МgSO₄ - 0, 05;

- CaCl₂ - 0, 01.

Активную кислотность среды устанавливают в пределах 7, 5-8, 0. При культивировании, в частности дрожжей, в течение 144 часов накопление триптофана составляет 6 г/л.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒