Промышленная микробиология. Производство аминокислот

25 Декабря в 11:58 9211 0


Первичные метаболиты - низкомолекулярные соединения, необходимые для роста микробов: одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие - участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности первичных метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды и витамины.

Производство аминокислот

Производство аминокислот в мире постоянно растет и в настоящее время составляет около 400 тыс. тонн/год, хотя потребность в них оценивается гораздо выше.

Как уже отмечалось, недостаток в рационе аминокислот (особенно, незаменимых) отрицательно сказывается на росте и развитии. Так, добавка к кормам животных нескольких долей % дефицитной кислоты может повысить кормовую ценность белка более чем в два раза.

Из всех возможных способов получения аминокислот (химическим путем, микробиологическим и др.) предпочтение отдается микробиологическому: хотя организацию микробного производства нельзя назвать простой, ее преимущество состоит в синтезе оптически чистых (L-аминокислот), тогда как при химическом синтезе получается рацемическая смесь L- и D-аминокислот, которую трудно разделить.

Микробный синтез аминокислот основан на культивировании строго определенного продуцента целевой кислоты в среде заданного состава при строго определенных параметрах ферментации. Продуцентами являются штаммы бактерий, полученные мутантной селекцией или с помощью методов генной инженерии. Бактерии-мутанты, с одной стороны, утратили способность самостоятельно синтезировать некоторые вещества, а с другой стороны, приобрели способность к сверхсинтезу целевой аминокислоты.

Уже к 70-м годам прошлого века были получены микробы-суперпродуценты из родов Brevibacterium,Corynebacterium, Micrococcus и др. с помощью которых возможно производить все известные аминокислоты. В настоящее время имеются суперпродуценты, у которых количество синтезируемого специфического белка достигает 10-50 % (здесь важнейшую роль играют многокопийные плазмиды, несущие встроенные гены).

Технология получения аминокислот базируется на принципах ферментации продуцентов и выделения первичных метаболитов, т. е. размножают маточную культуру вначале на агаризованной среде в пробирках, затем - на жидкой среде в колбах, инокуляторах и посевных аппаратах, а затем - в основных ферментаторах.

Если аминокислота предусмотрена в качестве добавки к кормам, то биотехнологический процесс кормового продукта включает следующие стадии: ферментацию, стабилизацию аминокислоты в культуральной жидкости перед упариванием, вакуум-упаривание, стандартизацию упаренного раствора при добавлении наполнителя, высушивание и упаковку готового продукта, в котором должно содержаться не более 10 % основного вещества. Если же аминокислота используется в качестве лекарственного препарата, в этом случае получают изолированные чистые кристаллы, которые высушивают под вакуумом и упаковывают. Например, в промышленности изготавливают сухой кормовой и жидкий кормовой концентраты лизина наряду с кристаллическим лизином (рис. 4.1).

Технологическая схема получения лизина
Рис. 4.1. Технологическая схема получения лизина: 1 - емкость для культуральной жидкости (КЖ); 2 - ионообменные колонны; 3 -сборник элюата; 4 - сборник фильтрата; 5 - емкость для элюата; 6 - насос; 7 - вакуум-выпарной аппарат; 8 - циклон; 9 - сушилка кормового концентрата; 10 - сборник; 11 - реактор-кристаллизатор; 12 - центрифуга; 13 - сушилка



Известны два способа получения аминокислот: одноступенчатый и двухступенчатый. Согласно первому способу, например, мутантный ауксотрофный штамм - продуцент аминокислоты - культивируют на оптимальной для биоситеза среде. Целевой продукт накапливается в культуральной жидкости, из которой его выделяют согласно схеме на рис. 4.2.

Примерная технологическая схема получения аминокислоты
Рис. 4.2. Примерная технологическая схема получения аминокислоты: 1 - ферментатор; 2 - охладитель; 3 ,9 - рефрижераторы; 4 - емкость для предварительной обработки; 5 - центрифуга; 6 - вакуум-упариватель; 7 - аппарат прямой предобработки аминокислоты; 8 - барабанный фильтр; А, Б - пути (при необходимости смыкающиеся); 10 - аппарат для ультрафильтрации; 11 - емкость для консервации раствора аминокислоты; 12 - мембранный фильтр; 13 - накопитель жидкого концентрата; 14 - емкость для осаждения аминокислоты; 15 - фильтр-пресс; 16 -распылительная сушилка; 17 - накопитель сухого концентрата

В двухступенчатом способе микроб-продуцент культивируют в среде, где он получает и синтезирует все необходимые ингредиенты для последующего синтеза целевого продукта. Схема двухступенчатого процесса может быть представлена в следующем виде:
Схема двухступенчатого процесса
Если ферменты биосинтеза аминокислоты накапливаются внутриклеточно, то после 1-й ступени клетки сепарируют, дезинтегрируют и применяют клеточный сок. В других случаях для целей биосинтеза целевых продуктов применяют непосредственно клетки.
Глутаминовая кислота
Глутаминовая кислота - это первая аминокислота, полученная микробиологическим путем. Мутантов, обеспечивающих сверхсинтез этой кислоты, не получено, а «перепроизводство» этой аминокислоты связано с особыми условиями, при которых нарушается синтез мембранных фосфолипидов. Глутаминовая кислота синтезируется исключительно культурами Corynebacterium glutamicum и Brevibacterium flavum.

Субстратами для ее получения являются глюкоза и уксусная кислота, а в начале 60-х гг. прошлого столетия использовали и н-парафины. Особые условия для роста культур создаются добавлением к культуральной жидкости пенициллина, который подавляет синтез клеточной стенки, или уменьшением (по сравнению с оптимальной) концентрации биотина (витамина В7) в среде, который индуцирует структурно-функциональные изменения в клеточной мембране, благодаря чему увеличивается ее проницаемость для глутаминовой кислоты, выходящей из клетки в культуральную жидкость.

В Японии с помощью селекции выделены температурозависимые штаммы бактерий (термофилы), которые продуцируют высокое содержание глутаминовой кислоты при повышенных температурах: в таких условиях достигают 50 %-го превращения используемого источника углерода в глутаминовую кислоту.

Натриевая соль глутаминовой кислоты широко применяется в пищевой промышленности для улучшения вкуса продуктов питания в консервированном и замороженном виде.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы