Получение витаминов микробиологическим синтезом.

ВВЕДЕНИЕ

Витамины - это группа органических соединений с низким молекулярным весом, необходимых для поддержания жизни животных, организм которых должен получать их с пищей. Отдельные витамины (например, витамин С) могут синтезироваться организмом животного. У взрослых жвачных животных витамины группы В и витамин К в достаточном количестве синтезируются микрофлорой рубца. Копрофаги (например, кролики) получают витамины, поедая собственные фекалии, в которых бактерии накапливают значительное количество витаминов. Однако животным необходимо несколько витаминов, но их недостаточно в обычном рационе. В основном это относится к витамину B12, каротину и, в некоторой степени, к витамину B, которые особенно необходимы при откорме свиней и птиц. Производство некоторых витаминов в промышленных масштабах может осуществляться микробиологически.
Микробиологический синтез использует способность определенных организмов к быстрому размножению (бактерии и дрожжи были изолированы, включая биомассу).
увеличивается в 500 раз быстрее, чем у наиболее урожайных сельскохозяйственных культур) и до «сверхсинтеза» - избыточного образования продуктов обмена (аминокислот, витаминов и др.), превышающих потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из природных источников или получают их мутантные штаммы (например, мутантные штаммы плесневых грибов производят пенициллин в 100–150 раз быстрее, чем природные штаммы). В качестве продуцентов используются культуры, полученные методами генной инженерии, в которых на них работает чужеродный ген. Например: у бактерии Escherichia coli - ген гормона роста человека.
Самые дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (например, углеводы, органические кислоты, спирты, жиры, углеводороды, включая газообразные вещества) используются в качестве сырья для микробиологического синтеза органических соединений. Микробиологический синтез состоит из серии последовательных стадий. Основные из них - это приготовление необходимой культуры микроорганизма-продуцента, выращивание продуцента, выращивание продуцента в определенных условиях, во время которых осуществляется микробиологический синтез (этот этап часто называют ферментацией), фильтрация и сепарация биомассы, выделение и очистка целевого продукта (при необходимости), сушка.

ГЛАВА 1. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
1.1 Микробиологический синтез

Микробиологический синтез - это синтез структурных элементов или продуктов метаболизма микроорганизмов за счет ферментных систем, присущих микробной клетке. В микробиологическом синтезе, как и в любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. Микробиологический синтез следует отличать от ферментации, которая также дает различные продукты микробного метаболизма (например, спирты, органические кислоты), но в основном за счет разложения органических веществ. Значительная часть продуктов, образующихся в процессе микробиологического синтеза, проявляет физиологическую активность и представляет практическую ценность для народного хозяйства.
Микробиологический синтез включает в себя множество процессов:
1. Накопление микробной массы для их использования˸
а) в качестве протеиновых и витаминных добавок к кормлению;
б) как источник производства белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков;
в) борьба с паразитами животных и растений;
г) как носитель ферментативной активности в реакциях микробиологического (ферментативного) превращения органических соединений.
2. Получение метаболитов, накапливающихся вне микробной клетки, в т.ч. ферменты, токсины, антибиотики, аминокислоты, витамины, нуклеотиды и др.
Микробиологический синтез осуществляется внутри клетки с активацией низкомолекулярных компонентов (например, кофермента А) и участием нуклеотидфосфатов, чаще всего аденилпроизводных. Затем многие метаболиты выводятся из клетки в окружающую среду. Характерной особенностью микроорганизмов является их способность к избыточному синтезу, то есть чрезмерное образование определенных продуктов метаболизма (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), что превышает потребности микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при избыточном синтезе может накапливаться в количестве более 10 мг / мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин В2 - до 1-2 мг / мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii) вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг.

Способность к избыточному синтезу определенного соединения характерна для определенных типов микроорганизмов, которые обычно используются в качестве продуцентов при производстве соответствующих метаболитов посредством микробиологического синтеза. В этом случае не только используются растения, отобранные из природных источников, но и специально выращиваются искусственно. Мутанты - это штаммы, в которых избыточный синтез является следствием нарушения обмена веществ под влиянием мутагенов. Использование мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, были разработаны культуры с высоким уровнем избыточного синтеза лизина, инозиновой кислоты и некоторых витаминов. С помощью мутантов активность биосинтеза пенициллина может быть увеличена в 100–150 раз. Мутантные штаммы используются в производстве этого и других антибиотиков.
Кроме того, при микробиологическом синтезе получают ряд продуктов за счет большого количества соединений углерода и азота. Это связано с большим количеством ферментных систем микроорганизмов. Для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других метаболитов клетки могут использовать различные источники неорганического азота, а из соединений углерода - различные углеводы, органические кислоты (включая уксусную кислоту), жидкости в зависимости от свойств культуры. твердые или газообразные углеводороды и т. д. Некоторые виды, способные к хемосинтезу или фотосинтезу, могут принимать углекислый газ в качестве источника углерода. Таким образом, выбор подходящих культур позволяет получать желаемые вещества посредством микробиологического синтеза из дешевого и доступного сырья. Эти свойства делают микробиологический синтез высокоэффективным методом получения многих соединений. Некоторые из них (например, многие антибиотики) сейчас экономически выгодны только для того, чтобы получить их таким путем.
Некоторые продукты микробного синтеза давно используются людьми (например, пекарские дрожжи), но микробный синтез нашел широкое промышленное применение с 1940-х и 1950-х годов. ХХ век. Прогресс в этой области связан, главным образом, с открытием пенициллина, который побудил начать подробные исследования продуктов метаболизма с физиологической активностью у микроорганизмов. Коммерциализация производства пенициллина позволила решить многие микробиологические, технологические и инженерные проблемы. Это, наряду с развитием производства дрожжей в качестве протеиновых и витаминных кормовых добавок, послужило основой для развития промышленного микробного синтеза. В частности, были созданы специальные устройства - ферментеры, с помощью которых технологический процесс биосинтеза может осуществляться без доступа посторонних микроорганизмов, оснащенные устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха.
1.2 Продукты микробиологического синтеза

Антибиотики. Большинство антибиотиков накапливаются вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии (в основном их мутировавшие формы). Антибиотики, в основном используемые в медицине, имеют высокую степень очистки. Антибиотики, используемые при лечении домашнего скота, обладают специфической активностью против наиболее распространенных заболеваний, таких как гельминтоз, кокцидиоз и т.д. В качестве кормовой добавки концентрат питательных веществ обычно производится после выращивания производителем, иногда вместе с биомассой, содержащей значительное количество других трансформация изделий в материал производителя. витамины, аминокислоты. Нуклеотиды и др.
Аминокислоты. Важным преимуществом микробиологического синтеза аминокислот является возможность получения их в виде природных изомеров (L-формы). Производителями аминокислот в основном являются мутанты, лишенные ряда ферментных систем, что вызывает избыточный