Примеры биотехнологических процессов

Видео: Схема бизнес-процесса. Детализация процессов. Visio (4/4)

Рассмотрим несколько примеров биотехнологического производства различных продуктов.

Исторически наиболее ранними и широко распространёнными способами биотехнологии являются бродильные процессы. В качестве примера брожения можно привести схему процесса производства хлеба (см. рис. 5). Аналогом приготовления среды здесь является получение опары (суспензии муки в воде), в которую добавляют дрожжи и подвергают брожению. Брожение происходит и на дальнейших стадиях - замесе теста, формовании заготовок, расстойке, выпечке.


В конце XIX века было налажено производство лимонной кислоты на основе сахарсодержащего сырья, например, мелассы. Лимонная кислота является одной из основных пищевых кислот, используемых в пищевой промышленности в качестве подкислителя, консерванта, усилителя вкуса, эмульгатора.

В настоящее время для её производства применяют глубинную ферментацию с использованием плесневого гриба Aspergillus niger в герметичных ферментерах (блок-схема производства приведена на рис. 6). Использование этого штамма грибов позволяет добиться 99% выхода кислоты в пересчёте на израсходованную сахарозу. В качестве дешёвого углеводородного сырья для синтеза применяют мелассу, крахмал и глюкозный сироп. В последнее время была предложена высокоэффективная экологически безопасная технология, основанная на использовании в качестве продуцента цитрата натрия и лимонной кислоты специально селекционированного высокоактивного и стабильного штамма дрожжей.


В качестве сырья используется непитьевой этиловый спирт, в том числе технический, спиртсодержащие полупродукты и отходы спиртовых заводов.



Процесс ферментации - превращения спиртсодержащего сырья в лимонную кислоту и (или) цитрат натрия, использующийся для изготовления экологически чистых синтетических моющих средств, осуществляется в непрерывном или периодическом режимах в стандартных ферментационных аппаратах в условиях перемешивания и аэрации. Технология позволяет производить цитрат натрия различной квалификации, а также лимонную кислоту пищевого и технического назначения. По сравнению с традиционной, новая технология обеспечивает значительное снижение себестоимости конечного продукта благодаря стабильной активности штамма-продуцента, невысокой стоимости исходного сырья, существенному сокращению стадий производства, снижению удельных затрат электро- и теплоэнергии, снижается количество твердых отходов и объем сточных вод.

Важнейшим продуктом микробиологической промышленности является пищевая уксусная кислота. Ее получают по реакции окисления этанола. Этот процесс протекает при участии уксусно-кислых бактерий, относящихся к родам Acetobacter и Gluconobacter. Поскольку уксусно-кислые бактерии не превращают углеводы непосредственно в уксусную кислоту, исходное сырье сначала подвергается спиртовому брожению, а затем получившийся спирт окисляется до уксусной кислоты. Окисление спирта протекает в аэробных условиях.

Биотехнологическим путем получают также молочную кислоту, применяющуюся в качестве сырья для биоразлагаемого полимера полилактата. Итаконовую кислоту, использующуюся в производстве пластмасс и красителей, получают путем ферментации на средах, содержащих сахара или парафины нефти. Яблочную кислоту, применяющуюся в пищевой промышленности в качестве окислителя, можно синтезировать из н-парафинов при помощи дрожжей рода Candida, из этанола путем ферментации при участии бактерий, а также из фумаровой кислоты с использованием иммобилизованного фермента фумараза. Биотехнологическим путем производят также глюконовую кислоту. Эта кислота и ее соли используются в пищевой промышленности, медицине.



На рис. 7 представлена блок - схема производства паприна (кормовых дрожжей). В СССР в 70 - 80 гг. паприн являлся одним из продуктов крупномасштабного производства белково - витаминных концентратов (БВК) для животных. Данное производство представляет собой получение инактивированной биомассы, важной особенностью которого является возврат в ферментер отработанной культуральной жидкости (ОКЖ), в результате чего исключаются стоки на стадии сепарации.


Одно из ведущих мест в биотехнологии занимает синтез аминокислот. Аминокислоты находят применение в различных целях: для обогащения кормов, как добавки в пищевые продукты, содержащие растительные белки, в химической промышленности. Синтез аминокислот биотехнологическими методами более предпочтителен, чем химическими, так как в этом случае не образуется смесь оптических изомеров аминокислот. Рассмотрим производство важной незаменимой аминокислоты лизин (рис. 8).


В промышленности получают L-изомер этой аминокислоты. Использование L-лизина позволяет оптимизировать состав пищи, уменьшить затраты на производство корма для животных и свести до минимума выделение азота. Данная аминокислота является в настоящее время основной пищевой добавкой при производстве свинины и мяса домашней птицы. Процесс получения лизина включает несколько подготовительных стадий: получение посевного материала, приготовление сложной многокомпонентной среды, ее стерилизация, компримирование и стерилизация воздуха.

На стадии концентрирования образующуюся в процессе ферментации культуральную жидкость сначала выпаривают под вакуумом и затем сушат. Объем мирового производства лизина составляет сейчас около 600 000 т в год. Среди его производителей лидируют японские, американские и немецкие компании. Прирост производственных мощностей лизина составляет 7-10% в год.

Помимо лизина, важнейшей аминокислотой, производство которой увеличивается с каждым годом, является серосодержащая аминокислота метионин. Объем его мирового производства - около 400000 т в год. Основной сферой применения метионина является производство пищевых добавок для корма домашней птицы. Кормовой DL-метионин является смесью D- и L-изомеров и производится химическими методами. В последнее время, однако, растет также производство L-метионина фармацевтического назначения.

Фармацевтические аминокислоты находят применение как парэнтеральные (внутривенные) препараты, а также в производстве диабетических пищевых добавок. Для получения энантиомерно-чистого L-метионина необходимо использовать биотехнологические методы. Лидером в производстве фармацевтического L-метионина является немецкая фирма Degussa, использующая новейшую технологию ферментного разложения. Следует отметить, что Degussa является в настоящее время единственным производителем всех четырех основных аминокислот, используемых для производства корма: L-лизина, DL-метионина, L-треонина и L-триптофана.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов