Скачать 2.32 Mb.
|
Отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними. Эталонные штаммы микроорганизмов хранятся и поддерживаются на заданном уровне во ВГНИКИ (Всесоюзный государственный научно-исследовательский институт клеточной инженерии) ветеринарных препаратов. Производственные, эталонные штаммы должны сохранять генетическую стабильность антигенных, иммуногенных и других присущих им биологических свойств на протяжении 10-20 последовательных пересевов как in vivo, так и in vitro. Приготовление посевной микробной культуры. Обычно производственное культивирование микроорганизмов осуществляется в больших объемах. Поэтому вначале из имеющегося эталонного штамма микроорганизма, находящегося, как правило, в лиофильно высушенном состоянии в ампуле, делают посевы в небольшие емкости. Затем делают высевы в большие емкости. При хорошем накоплении микроорганизмов такую культуру вносят в реактор и называют посевной (маточной) культурой. При этом нужно предварительно рассчитать необходимое количество посевной культуры для производственного культивирования микроорганизмов исходя из посевной дозы, которая обычно составляет от 1 до 10% по объему. Посевные микробные культуры также контролируются на сохранение ими типичных морфологических, культурально-биохимических, антигенных и иммуногенных свойств, а также на отсутствие в них посторонней микрофлоры (ПМФ). Приготовление и стерилизация питательных сред. Основополагающим принципом конструирования питательных сред является их полноценность, поскольку в процессе роста микроорганизмы потребляют из окружающей питательной среды целый ряд разнообразных химических веществ, составляющих основу энергетического и конструктивного обмена в клетках. К основным компонентам, формирующим клеточное вещество, относятся: углерод, азот, кислород и водород. Содержание этих элементов в различных микроорганизмах практически постоянно. В результате разнообразия микроорганизмов, по-разному использующих углерод и азот, одинаково пригодных (универсальных) питательных сред для роста всех без исключения микроорганизмов и клеток не существует. Их специфичность зависит от содержания в них углерода и азота. В зависимости от типов используемых азотистых соединений микроорганизмы разделяются на две группы: 1. Протеолитические, т.е. расщепляющие высокомолекулярные белковые вещества и пептиды. 2. Дезаминирующие, требующие присутствия в среде готовых аминокислот, расщепление которых сопровождается выделением аммиака. Питательные среды должны быть сбалансированы по содержанию таких органических веществ, как аминокислоты, витамины, жирные кислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, гормоны и др., добавление которых в очень незначительных количествах стимулирует рост и размножение микроорганизмов. Очень часто микроорганизмы и клетки нуждаются во многих природных аминокислотах, которые являются универсальными компонентами питания. Также необходимым компонентом питательных сред являются неорганические соли, которые определяют необходимое осмотическое давление среды, величину рН и буферную емкость. Другим наиболее важным принципом конструирования питательных сред является выбор сырьевых источников. Для получения питательных сред с особо ценными свойствами применяют, прежде всего, традиционные источники белка животного происхождения: мясо крупного рогатого скота, казеин, рыбу и продукты ее переработки. Из непищевых источников белка животного происхождения в качестве сырья используются кровь убойных животных, селезенка, плацента, эмбрионы домашних животных, творожная сыворотка, мягкие ткани моллюсков и ластоногих и др. Из продуктов растительного происхождения в качестве белкового субстрата можно использовать кукурузу, сою, горох, картофель, люпин и др. В настоящее время нашей биологической промышленностью на основе гидролиза растительного сырья производится значительный объем кормового белка для сельского хозяйства. В качестве исходного сырья для производства кормового белка могут использоваться самые дешевые источники, такие как отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, пивная дробина, верховой малоразложившийся торф, барда спиртовых производств, отходы кондитерской и молочной промышленности. Кроме того, в России и некоторых других нефтедобывающих странах разрабатываются технологии получения кормовых дрожжей из н-парафинов нефти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источников углерода для их роста неразветвленные углеводороды с числом углеродных атомов от 10 до 30. Наряду с получением кормовых дрожжей большое значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60-80% от сухой массы. Здесь в качестве сырья используются газообразные продукты, содержащие метан. Подготовка биореакторов к посеву и выращивание микроорганизмов. При культивировании микроорганизмов чаще всего применяется способ глубинного выращивания в специальных аппаратах – ферментерах. В простерилизованный термическим способом ферментер подается заранее измельченное, охлажденное и отстоянное сырье, которое в данном ферментерном цехе подвергнется кислотному гидролизу при повышенном давлении и температуре, в результате чего 60-65% содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов. Ферментер для выращивания дрожжей и бактериальных клеток в жидкой питательной среде представлен на рис. 1. Рис. 1. Ферментер для выращивания микроорганизмов в жидкой питательной среде: 1 – корпус ферментера; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – теплообменник; 4 – подача холодной воды в теплообменник; 5 – вывод теплой воды из теплообменника; 6 – подача посевной культуры; 7 – подача жидкой питательной среды; 8 – подача воздуха для аэрации и перемешивания питательной среды; 9 – кювета для направления потока воздуха во внутреннюю полость теплообменника; 10 – выход микробной суспензии по окончании ферментации; 11 – выход воздуха в атмосферу через очистной фильтр Представленный выше ферментер обеспечивает режим постоянного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях поддержания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточного тепла. Рабочий цикл выращивания культуры микроорганизмов длится около 20 часов. Например, при оптимальных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно получить 200 кг кормовых дрожжей. По окончании рабочего цикла культуральная жидкость вместе с суспендированными в ней клетками микроорганизмов выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых или бактериальных клеток для выращивания. Выведенная из ферментера суспензия далее подается на флотационную установку, с помощью которой производится отделение биомассы от культуральной жидкости. После отстаивания микробная масса концентрируется с помощью сепаратора. Для достижения лучшей перевариваемости дрожжей и бактериальных клеток в организме животных проводится специальная обработка микробных клеток (механическая, ультразвуковая, термическая, ферментативная), обеспечивающая разрушение их клеточных оболочек. Затем микробная масса упаривается до необходимой концентрации и высушивается до влажности 8-10%. В полученной сухой дрожжевой массе содержится 40-60% сырого белка, 25-30% усвояемых углеводов, 3-5% сырого жира, 6-7% клетчатки и зольных веществ, а также большое количество витаминов (до 50 мг). Посредством обработки дрожжей ультрафиолетовыми лучами проводится их обогащение витамином D2, который образуется из содержащегося в них эргостерина. Бактериальные белковые концентраты содержат в среднем 60-80% сырого белка от сухой массы. Коммерческое название препарата, полученного на основе метанола – «Меприн», он содержит в своем составе до 70-74% от сухой массы белков, до 5% липидов, около 10% минеральных веществ, 10-13% нуклеиновых кислот. При этом наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas и др. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые белковые вещества выпускают в гранулированном виде. Культивирование бактериальных клеток на газообразных питательных средах отличается следующими особенностями. Процесс ферментации при выращивании микроорганизмов на газообразных углеводородах представлен на рис. 2. Рис. 2. Процесс ферментации при выращивании микроорганизмов на газообразных углеводородах: 1 – корпус ферментера; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – мешалка; 4 – привод мешалки; 5 – подача газообразных углеводородов; 6 – подача кислородсодержащего газа; 7 – подача жидкой питательной смеси; 8 – подача посевной культуры; 9 – выход микробной суспензии по окончании ферментации; 10 – выпуск газа из ферментера; 11 – выход газовой смеси на рециркуляцию; 12 – газоанализатор, подающий сигнал на регулирующее устройство клапана; 13 – регулятор давления внутри ферментера; 14 – улавливатель углекислого газа В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается рециркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэрации культуры бактерий производится продувка ферментера воздухом или кислородом. Чаще всего на газовых питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные при оптимальных условиях утилизировать до 85-90% подаваемого в ферментер метана. Все технологические линии, связанные с культивированием бактерий в газовой среде, требуют точного контроля состава этой среды и оснащения производственных установок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием. По окончании ферментации клетки бактерий подвергаются такой же технологии обработки, как и дрожжевые клетки. В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взрывоопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требуется постоянная рециркуляция, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и дорогим. Технология культивирования микроорганизмов в покоящемся состоянии без аэрации. Некоторые организмы относятся к группе микроаэрофильных (возбудители бруцеллёза, лептоспироза, кампилобактериоза и др.), не требующие принудительной аэрации питательной среды, в которой они выращиваются. Применяют баллонный и реакторный способы культивирования. Баллонный способ, в частности для культивирования лептоспир, заключается в том, что микробные культуры лептоспир каждого серологического варианта выращиваются в 16-литровых стеклянных баллонах с 10-12 л сывороточной или альбуминносывороточной (производственной) средами при температуре 27-28 0С в течение 5-7 суток. Технология промышленного культивирования анаэробных микроорганизмов. К анаэробным микроорганизмам относятся такие, которые способны жить и размножаться при отсутствии атмосферного кислорода. В силу биологических особенностей анаэробов методы культивирования их в промышленности имеют свои особенности. 1. При культивировании анаэробных микроорганизмов нужно в реакторах создать условия полного вытеснения из питательной среды свободного кислорода. Это достигается путём заполнения анаэро(бо)статов газовой смесью водорода и двуокиси углерода, а остаточный кислород может быть удалён путём каталитического связывания с воздухом. Анаэробные условия могут быть достигнуты также добавлением в среду восстанавливающих агентов. 2. Степень анаэробиоза определяется окислительно-восстановительным потенциалом (Eh). Для этих целей в среду вводят окислительно-восстановительные индикаторы, чаще всего используют резазурин (диазорезоурин), меняющий цвет от сине-розового до бесцветного. Бесцветное состояние достигается при Eh около 100 мВ и указывает на наличие анаэробных условий. 3. При культивировании анаэробов необходимо постоянно корректировать рН среды, поддерживая её в пределах 7,2-7,8. В процессе роста анаэробов рН среды очень быстро снижается в кислую сторону, что приводит к ингибированию их роста. Периодические и хемостатные системы культивирования микроорганизмов.тПри глубинном выращивании микроорганизмов их культуры могут находиться в периодических, или «закрытых», и хемостатных (непрерывных), или «открытых», системах. Закрытой называют такую систему (культуру), когда хотя бы один из компонентов питательной среды или она вся может ни проступать в систему, ни покидать её. В такой системе скорость роста микроорганизмов должна после ускорения стремиться к нулю из-за недостатка субстрата или по причине гибели микробных клеток вследствие накопления продуктов метаболизма. Следовательно, периодические культуры микроорганизмов находятся в неустойчивом состоянии. Открытая (хемостатная) система – это система, когда все питательные компоненты могут поступать в реактор, в котором выращивается тот или иной микроорганизм, и удаляться из реактора в виде продуктов синтеза микроорганизмов (антибиотики, витамины, ферменты и т.д.) или биомассы самих микроорганизмов. При этом скорость поступления питательной среды в реактор и удаление из него продуктов синтеза или биомассы можно регулировать в нужной нам среде размножения микроорганизмов. Периодическое культивирование микроорганизмов. В периодическом состоянии динамика роста и размножения микроорганизмов в жидкой питательной среде обладает рядом особенностей, общих для бактерий, актиномицетов, микроскопических грибов, микоплазм. При индивидуальном развитии им свойственна высокая скорость размножения. Развитие происходит в виде последовательных фаз, характер и продолжительность которых зависят от физиологического состояния клеток, определяемого, в свою очередь, условиями разнообразных факторов среды, в которой развивается популяция того или иного организма. Рост микробной популяции изображают обычно графиками, откладывая на оси абсцисс время роста, а на оси ординат – число микробных клеток (рис. 3). Рис. 3. Рост микробной популяции при периодическом культивировании Каждая фаза приведённого графика является суммированным выражением размножения и отмирания клеток в микробной популяции. Поскольку микробные клетки делятся в различном темпе, то представленная на графике кривая нарастания их числа в начале и уменьшения числа живых клеток в конце роста имеет вид пологой линии. Форма этой кривой (S-образная) является универсальной, и не зависят от вида микроорганизмов и условий культивирования. Каждая из указанных на графике (рис. 3) фаз роста и размножения характеризуется следующим образом: а) исходная фаза (лаг-фаза или инукционный период) является фазой задержки роста, когда размножение микробных клеток не происходит. Данная фаза характеризуется отсутствием роста клеток. В этот период посевная культура приспосабливается к изменившимся внешним условиям и вырабатывает ферменты, необходимые для роста на данной питательной среде. В лаг-фазе в клетках культуры происходят значительные качественные изменения: возрастает количество нуклеиновых кислот, в первую очередь РНК, активизируются одни ферменты и синтезируются другие. Продолжительность лаг-фазы зависит от следующих факторов:
б) период положительного ускорения роста. Длительность этого периода для большинства микроорганизмов составляет 2 часа и зависит от температуры, состава питательной среды, качества посевного материала. Многие авторы эти две фазы рассматривают вместе. Число клеток остается постоянным по причине отсутствия в этот период клеточного деления. Общее состояние микробных клеток характеризуется как состояние приспособления к питательной среде. В этот период усиливается синтез вещества, клеток, они увеличиваются в размере, в них образуется большое количество индуцибельных ферментов. в) фаза логарифмического (лог-фаза), или экспоненциального (показательного), роста. Она характеризуется постоянной и максимальной скоростью роста клеток. Рост микробов в эту фазу происходит в геометрической прогрессии. Продолжительность этой фазы зависит:
Для описания процессов роста микроорганизмов используют такие характеристики, как общая и удельная скорости роста биомассы (или числа клеток). Другой важной характеристикой роста культуры является время генерации, за которое биомасса культуры удваивается. Время генерации из разных культур микроорганизмов сильно различается. Наиболее быстрорастущие бактерии при благоприятных условиях имеют период генерации – 20-25 мин. Продолжительность генерации в лог-фазе у разных микроорганизмов неодинакова. Так, для сальмонелл она равна 20-30 мин., для стрептококков и стафилококков – 25-35 мин., для эшерихий – 15-17 мин. На продолжительность генерации влияют температура, рН среды, состав среды и т.д. Высокая скорость развития микроорганизмов сохраняется на всей экспоненциальной стадии. Однако эта зависимость наблюдается в течение ограниченного времени. По мере роста культуры в среде постепенно потребляются питательные вещества, накапливаются продукты обмена, затрудняется транспорт питательных веществ (в первую очередь кислорода) и метаболитов вследствие увеличения плотности популяции. г) фаза отрицательного ускорения. В эту фазу скорость размножения замедляется, а время генерации увеличивается. Наступление данной фазы обусловлено истощением питательной среды и накоплением в культуральной жидкости токсических веществ, которые начинают ингибировать развитие культуры. Кроме того, в эту фазу происходит наивысшее накопление микробной массы в единице объема. д) стационарная фаза роста, или максимума, на протяжении которой численность микробной популяции не уменьшается. В эту фазу скорость размножения и отмирания клеток одинаковая. Концентрация живых клеток в данную фазу достигает максимума, и она называется М-концентрацией. В этой фазе сама биомасса микроорганизмов и продуктов их биосинтеза обладает наибольшей биотехнологической ценностью. е) фаза отмирания микробной популяции. Любая микробная популяция, растущая в сосуде с несменяемой средой, вступает после фазы стационарного роста в стадию отмирания. По скорости отмирания вначале устанавливают фазу ускоренного отмирания (VI), затем фазу постоянной скорости отмирания (VII) и фазу замедленной скорости отмирания (VIII). Причинами отмирания микробной популяции являются истощение среды и накопление в ней большого количества токсичных продуктов метаболизма. В период стадии отмирания общее количество биомассы уменьшается, что чаще всего происходит за счет аутолиза. Продолжительность стадии отмирания у различных микроорганизмов неодинакова: у пневмококка она составляет 2-3 суток, у эшерихий – несколько месяцев. В этот период в культуре наблюдается значительное уменьшение клеток. У них уменьшается биохимическая и антигенная активность. Учитывая это, для изготовления ряда биопрепаратов отбирают культуры микроорганизмов чаще всего в фазе отрицательного ускорения роста или в начале стационарной фазы роста, когда концентрация живых микробных клеток приближается или равна М-концентрации. Хемостатная культура, или метод непрерывного культивирования микроорганизмов. Хемостатная, или непрерывная, культура представляет собой поточную культуру тех или иных микроорганизмов. В таком случае возможность продления жизни микробной популяции поддерживается с помощью непрерывной подачи свежей среды и постоянного отбора микробной биомассы или образовавшихся продуктов метаболизма, т.е. можно культуру микроорганизма как бы зафиксировать в одной, например, стационарной, фазе роста и получить нужные продукты обмена или биомассу во времени столько, сколько требуется. Таким образом, максимальная производительность в хемостатной культуре всегда выше, чем максимальная производительность в периодической культуре. Нужно сказать, что до 50-х годов для культивирования микроорганизмов с целью их всестороннего изучения служила простая периодическая культура. Только с переходом к методу хемостатного культивирования обнаружился недостаток периодической культуры, которая не даёт полного представления обо всех изменениях, происходящих в клетке, и о влиянии внешних факторов на протекающие в ней процессы. Развитие хемостатного культивирования открыло возможность управлять процессом, контролируя рост и поведение микроорганизмов, а при необходимости вмешиваться в этот процесс, изменяя скорость роста до задаваемых пределов путём воздействия на такую культуру внешними факторами. В настоящее время интерес к непрерывному культивированию растёт как в нашей стране, так и за рубежом. Лекция 4 Типовая технологическая схема микробиологического производства. Прдукты биотехнологии получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числот стадий производства и их технологическимим режимами. Тем не менее, можно представить обобщенную типовую схему биотехнологических производств. Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательно превращается во все более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт. Общий вид такой типовой схемы проедставлен на рисунке. Основная стадия биотехнологического производства. Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт. Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества. Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее. Ферментация — процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов. Биотрансформация — процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопления клеток микроорганизмов, а химическая структура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основном готово, биотрансформация осуществляет его химическую модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т.п. Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов. Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях. Метановое брожение — переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях. Биокомпостирование — снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения. Биосорбция — сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях. Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов. Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов – биодеструкторов. Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один — жидкостной. В случае если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов) выходом является поток переработанного твердого продукта. Подготовительные стадии - служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы: Приготовление среды, обычно жидкой, включающей необходимые компоненты питания для биотехнологической стадии. |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Морская микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины «римское право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «иностранный язык по специальности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
||
Учебно-методический комплекс дисциплины «Технология формирования имиджа» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
Учебно-методический комплекс дисциплины «защита прав потребителей» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
Поиск |