Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

3) трансформация органического азота до АГЩ (аммонифика-

ция) с последующим окислением аммония до нитратов,

4) превращение органического углерода до СОг.

В этих стадиях (преимущественно — в первой, третьей и

четвертой) подчеркнута биохимическая сущность происходящих

явлений, а процессуальная технологическая схема обработки от-

ходов в обобщенном виде приведена на рис. 123. Нерастворимый

остаток (стадия 2) может быть использован для получения метана.

Газообразные отходив процессах биологической

технологии немногочисленны в ассортименте. Это определяется

биохимической сущностью реакций, катализируемых фермента-

ми.

Как правило, энергетическим субстратом для биообъектов

являются углеводы. В аэробных и анаэробных условиях из них

образуется диоксид углерода. Так, при брожении (гликолитический

процесс) из глюкозы образуется 2 моля СОг:

СбН1

Об • 2С

ОН + 2С0

При аэробном дыхании (окислительный процесс) — 6 молей

СО2:

+ 602

С6Н12О6 • 6С02 + 6Н2<Э

При выращивании метанокислящих бактерий из СН4 также

образуется СО2:

СЩ + 202 • СОг + 2H20

Выделяющийся диоксид углерода улавливается и утилизирует-

ся в пищевой промышленности в качестве хладагента.

Газообразным отходом биотехнологических производств, бази-

рующихся на использовании аэробных микроорганизмов, является

"отработанный воздух". Он не должен поступать в атмосферу без

очистки и обезвреживания. Отработанный воздух при этом чаще

всего представляет собой высокодисперсный аэрозоль, в котором

дисперсной фазой оказываются капельки жидкости и/или микро-

организмы. Скорости падения аэрозольных частиц зависят от их

размеров и смещения воздушных потоков. Для некоторых из них

скорости падения приведены в таблице 38.

365

Таблица 38. Скорости седиментации частиц (плотность, г/см ) из высокодис-

персных аэрозолей (вязкость воздуха — 1,82*10" пуаз,

t° -293°k)

Радиус частиц,

мкм

0,3

0,1

0,03

0,01

Критерий

Рейнольдса

0,366

1,43 • 10'

4,62 • 10'

2,45 • 10"

1,37 • 10"

1,26 • 10"

Скорость

седиментации,

м/сек.

0,11 • 10"

1,3 • Ш"

1,39» 10"

2,23 • 10"

4,16 • 10"

1,14» 10"

Броуновское

движение,

м/сек.

2.84 • 10"

5,07 • 10"

1.0 • 10"

2.1 • 10"

5.5 • 10'

1.06 • 10"

Из таблицы видно, что с уменьшением размера частиц их

седиментация заметйо уменьшается, но возрастает броуновское

смещение. Вот почему высокодисперсные аэрозоли легко могут

переноситься воздушными потоками на большие расстояния, и

поэтому не исключено неблагоприятное воздействие их на чувст-

вительные контингенты людей, вдыхающих микробные аэрозоли.

Отработанный воздух, содержащий микроорганизмы (в том

числе, например, болезнетворные продуценты экзотоксинов) дол-

жен быть термически обработан и только после этого подвергаться

фильтрационной очистке.

При реализации биотехнологических процессов необходимо

осуществлять постоянный (непрерывный) контроль за качеством

отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Многие биотехнологические процессы протекают с выделени-

ем тепла, которое оказывается в ряду побочных продуктов биохи-

мических реакций. Нередко такое тепло теряется и практически

не используется. Лишь в отдельных производствах оно реутилизи-

руется (см. раздел 7.2).

8.2. Утилизация отходов биотехнологических производств. От

качества плотных и жидких отходов, образующихся в биотехноло-

гических производствах, зависит выбор путей использования их

на практике. Так, в производстве пива из ячменя отходами явля-

ются дрожжевые клетки, солодовая дробина и некоторые другие

вещества. Можно предположить, что все отходы такого производ-

ства равно используемы, например, для откорма сельскохозяйст-

венных животных (таблица 39). Из таблицы видно, что по пита-

тельной ценности и усвояемости все компоненты плотных отходов

могли бы быть рекомендованы к употреблению на животноводче-

ских фермах. Однако горечи, имеющиеся в женских соцветиях

хмеля,

продукты

их

превращения

при

кипячении солодового

сусла с хмелем, являются главным препятствием

использованию

их

животноводстве. Такими веществами являются гумулон

(а-

горькая кислота), лупулон (Р-горькая кислота)

продукты

их

окисления — смолы

А и

В, дигидрогумулиновая кислота

др.

Т а б л и ц а 39. Состав пивных дрожжей, белкового остатка, солодовой и хме-

левой дробин (выборочно)

Вид

продукта

Влажные

дрожжи

Высушенные

дрожжи

Белковый

остаток*

Солодовая

дробина

Хмелевая

дробина*

ВО-

ДЫ

8-12

8,5

Содержание,

0,2

2-3

3,9

1,4

3.2'

Пр

6,9

43-55

43,6

5,3

4,46

0,4

0,4-

1,7

6,8

5,4

БЭВ

5,9

25-35

32,9

26,15

0,9

6-8

4,3

1,3

Усвояемость

сви-

ней

52,25

жва-

чных

Эквива-

лент-

ность

(в

кг) 100 кг

крахмала

76,6

12,7

Примечание:

Л —

липиды неочищенные,

Пр —

протеин сырой,

Ц —

клетчатка,

БЭВ —

безазотистые экстрактивные вещества,

— зола,

-t

животные не употреб-

ляют из-за горечи продукта,

—

ароматические экстрактивные вещества.

Из

кг хмеля, примененного для варки пива, получается около

кг

хмелевой дробины.

Она

может быть использована либо

со

(СН,)=С=СН-СН,-СН С-СО-СН,-СН=(СНА

СО

С-ОН

ОН—С CH

-CH=C=(CH

)

гумулон

СО

(СН,)=С=СН-СН,-СН С-СО-СН,-СН=(СНЛ

U>H

(сн

)

=с=сн-сн

_со-с

— с-он

изогумулон (мягкая смола

А)

367

сн

—со—с—-с—он

он ' * •*

гумулиновая кислота (мягкая смоле В)

•. . "..••*,..--

компостах, либо в качестве подстилки на скотных дворах.

других

случаях ее сжигают" (например, добавляя к каменному углю). К

сожалению, названные горечи переходят и в белковый отстой. Цо

этой причине он не использ'уется в качестве добавок к корму

животных. Имеются данные о том, что такой белок пригоден для

подкормки рыбы, разводимой, в прудовых хозяйствах.

со *

(СН

)2==СН-СН,-СН

-СН С-СО-СН

-СН=<СН

)

.тсн—с—он

он

дигидрогумулиновая кислота

СО

(СН

)

=гС=СН-СН,-СН О—СО-СН

-СН=<СН

)

I I

СО с_ОН

\ г

(СН

)

==С = СН-СН

—С— СН

-СН=С—(СН

)

лупулон

Дрожжевые клетки и солодовая дробина — хороший корм для

животных. В высушенном виде их можно сохранять впрок. Отмы-

тые от горечей клетки дрожжей соответствуют по калорийности

говяжьему мясу при соотношении

1:2,5,

то есть

кг сухих пивных

дрожжей равноценен 2,5 кг говядины. В них содержатся также

витамины группы В, в частности, тиамин и рибофлавин (50—

100

мг/кг),

эргостерин

(0,56%),

микроэлементы. Следовательно, пивные

дрожжи полезны и человеку, и не, только в качестве пищевого

продукта, но и лечебного. Применение пивных дрожжей норма-

лизует некоторые обменные процессы, восполняет дефицит от-

дельных коферментов.

Солодовая дробина состоит из солода, оболочек зерен ячменя,

368

липидов, белков и других веществ (см. таблицу 39). При скармли-

вании солодовой дробины, например, коровам, возрастает их

удойность. Если в день давать 2,5 кг сухого солода на голову скота,

удой молока возрастает примерно на 5 литров.

. Таким образом, пивоваренное производство можно отнести к

разряду малоотходных и, следовательно, выгодных с

. экономической и экологической точек зрения.

Производство многих антибиотиков, базирующееся на исполь-

зовании бактерий —.стрептомицетов, также приближается (или

может быть приближено) к малоотходным. Плотные отходы после

термообезвреживания могут быть, использованы в качестве корма

для сельскохозяйственных животных, так как белковое, минераль-

ное

и,

в ряде случаев, витаминное содержание

(Bi2)

клеток является

важной добавкой к их дневному рацирну. Однако по некоторым

данным, в клеточной биомассе не должно содержаться ощутимых

количеств остаточных антибиотических веществ, что, якобы, мб-

жет сказаться на'селекиионировании резистентной микрофлоры,

включая патогенную и условно патогенную,

(в

частности, из семей-

ства Enterobac'teriaceae). По другим данным антибиотики — не

только профилактические и лечебные средства, но и стимулируют"

прибавление веса, увеличивают эффективность» использования

кормов. Однако учитывая высокую биологическую активность

антибиотиков, целесообразно придерживаться первых рекоменда-

ций. . ' '-•• ' \ .

Жидкие отходы в производстве антибиотиков передаются на

обезвреживание.

Применительно к микробной биотехнологии имеются данные

об использовании плотных отходов в производстве антибиотиков

и ферментов (биомассы клеток) в качестве армирующего накопи-

теля в бетонных изделиях.

В призводстве декстрана возможна организация безотхо-

дной технологии. Исходя из механизма биосинтеза полисахарида

видно, что отходом производства является фруктоза. К сожалению,

декстрансахароза

22°11 *" (

12°5>

* ЧС

сахароза декстран фруктоза

на предприятиях, изготавливающих декстран, фруктоза чаще вме-

сте с маточными растворами спускается в трап. Между тем фрук-

тоза может быть очищена и использована для пищевых целей,

например, в виде сиропа.

369

Полисахарид аубазидан продуцируется штаммом № 8

Aureobasidium pullulans. Биомасса клеток как отход производства

составляет около

50%

от так называемого "нативного полисахарида"

(клетки + гликан). Они содержат порядка

31%

белков, включаю-

щих ряд незаменимых аминокислот в количествах, превышающих

их концентрацию в кормовых дрожжах (аргинин, гистидин, трип-

тофан, фенилаланин). Биологическая ценность белка составляет

83,4%

и она выше, чем у белков шелушоного риса (71,2%), рисовой

крупы (65,23%) и кормовых дрожжей (40—60%). В клетках

A.pullulans содержится 35% углеводов и 14% липидов. По составу

жирных кислот эти липиды близки пальмовому маслу.

Зольные вещества клеток представлены (по убыванию содер-

жания) железом, алюминием, кремнием, марганцем, магнием,

медью, барием, натрием, калием, кальцием, серой, хлором; из числа

витаминов в нативных клетках найдены витамины Bi, Вб, РР, В7,

Be-

Таким образом, биомасса клеток A.pullulans является тем

отходом, который с успехом может быть использован для вскарм-

ливания сельскохозяйственных животных.

При винокурении в качестве сырья используют различные

источники (зерно, картофель, мелассу и пр.). Плотные отходы

(барда) утилизируются в качестве кормовых добавок; выделяюща-

яся при спиртовом брожении углекислота улавливается и очища-

ется (обычно — на водяных скрубберах, затем кислотой), дезодо-

рируется, сжижается и поступает в продажу в виде "сухого льда".

Из

т патоки, содержащей 45% сахара (при фактическом исполь-

зовании, равном 65%), выход углекислоты (жидкой) составляет 135

кг. Жидкая углекислота широко применяется при изготовлении

безалкогольных напитков и в технике.

Жидкие отходы после извлечения этанола могут быть упарены

до сиропообразного состояния, высушены (высушенный фильтрат

барды) и так же применены в качестве корма для животных.

При виноделии получают такие отходы как виноградные вы-

жимки (до 20% и более от веса винограда), дрожжевые клетки, а

также отстойные осадки. При усредненной оценке отходов (преж-

де всего — выжимок) в них находят этанол, соли винной кислоты,

масло (в косточках), реже — сахаристые вещества. Виноградный

спирт используют при производстве крепленых вин, виноградное

масло рафинированное

—

ценный пищевой продукт, а также ценен

в изготовлении олифы. Винную кислоту применяют в медицинской

практике, в кондитерской промышленности.

370

После выделения этанола из виноматериалов остается винная

барда (винасса), содержащая органические кислоты, белки, мине-

ральные соли, красящие вещества. Из барды выделяют винную

кислоту. Из отходов виноделия получают дубильное вещество —

танин, пищевой пектин, красящие вещества. Не подвергающиеся

дальнейшей обработке осадки передают на аэротенки или на

сбраживание (см. плотные отходы).

При изготовлении вин из плодов и ягод отходами являются

дрожжи, клеевые осадки и отпрессованная мезга. Нерастворимые

вещества отходов представляют собой клетчатку, крахмал, прото-

пектин, белки, жиры, остатки органических кислот и Сахаров.

Протопектин выделяют в виде пектина, широко использующегося

в пищевой и кондитерской промышленности.

Другие составные части плотных отходов являются ценным

кормом для сельскохозяйственных животных. Косточки и семена

плодов можно отделять от выжимок и затем использовать для

получения масла.

В фитрбиотехнологии обезвреживание отходов и их утилиза-

ция сходны с таковыми для микробной технологии.

Утилизация отходов зообиотехнологических производств про-

исходит с учетом того, что плотные и жидкие отходы содержат

большое разнообразие веществ, пригодных для гетеротрофных

видов микроорганизмов. Это, прежде всего, создание питательных

сред для микробов в экспериментальных (лабораторных) и приро-

дых условиях (удобрения).

В связи с обезвреживанием и утилизацией отходов биотехно-

логических производств во имя поддержания природного экологи-

ческого баланса находится проблема организации и развития

ресурсосберегающих безотходных процессов биологической тех-

нологии. Это решаемо и может быть решено в двух приоритетных

направлениях: 1) полное использование сырьевых источников

путем применения биообъектов в ассоциациях, когда имеет место

более глубокая трансформация сырья и получаются различные

конечные продукты (примеры — обработка жидких отходов жи-

вотноводческих комплексов с участием разных организмов; пол-

учение декстрана и аубазидана с использованием соответствую-

щих штаммов Leuconostoc

sp.

и Aureobasidium puUulans, из которых

первый использует глюкозу из сахарозы, второй — оставшуюся в

отходах фруктозу; иммобилизация клеток как полиферментных

систем, например, микроб, несущий гены ос-амилазы, глюкоамила-

371

зы и глюкозоизомеразы, способен в одну стадию трансформиро-

вать крахмал в глюкозу и фруктозу; в этом случае глюкозо-фрук-

тозный сироп (заменитель сахара) является конечным продуктом;

и т. д.,

2) экономия сырья, вспомогательных материалов и энергии. В

этом случае, например, в качестве источников углерода в микро-

бной биотехнологии могут быть использованы отходы деревопе-

рерабатывающей промышленности (стружка, тара), сельского хо-

зяйства (солома, подсолнечная лузга); источников ряда витаминов

— гидролизаты (или экстракты) дрожжей

являющихся отходом

производств, основанных на спиртовом брожении; энергетически

целесообразны рециркуляционные схемы использования тепла,

получаемого с помощью теплообменников при стерилизации и

других термопроцессах и т. д.

Важно помнить и иметь в виду необходимость глубокой про-

работки проектно-сметной документации на предмет создания

ресурсосберегающих и экологически чистых безотходных или

мало отходных биотехнологических процессов.

372

Часть IV.

Специальные биотехнологии

• Во второй части учебника изложены основные представления

о биотехнологии, базирующейся на использовании биообъектов

микробного, растительного и животного происхождения. В срав-

нительном плане можно подчеркнуть следующие особенности

таких биотехнологий: во-первых, имеется много аналогий при

реализации биотехнологических процессов, в которых биообъекты

используются на молекулярном и клеточном уровнях; во-вторых,

только некоторые виды биотехнологий, осуществляемые с приме-

нением клеток, могут быть подведены под рубрику "технологий на

организменном уровне" (микробная биотехнология); в-третьих,

лишь при использовании в биотехнологии микроскопических ор-

ганизмов необходимо специальное аппаратурное оформление про-

цессов, тогда как в случаях выращивания макроорганизмов (рас-

тений и животных) в естественных, или природных условиях этого

делать не требуется, и, следовательно, посевы и сборы урожаев,

выращивание сельскохозяйственных животных в целях получения

373

молока, мяса, кож, шерсти и пр. не относится к новым и новейшим

биотехнологическим процессам в таком понимании предмета, по-

скольку здесь выпадает ведущее звено, связанное с управляемым

культивированием биообъекта, например, в ферментаторах или в

других аппаратах. Однако третья особенность не является универ-

сальной.

частности, к истинной биотехнологии тесно примыкает

технология выращивания некоторых растений на основе метода

гидропоники. Тем не менее, особенности каждой группы биотех-

нологических процессов сохраняются и поэтому есть все основа-

ния рассматривать их в качестве самостоятельных. К ним относят

микробную биотехнологию, фитобиотехнологию и зообиотехно-

логию, то есть главным критерием подразделения биотехнологий

являются биообъекты. Микроорганизмы в этом смысле занимают

первенствующее положение (сравнить число реализованных на

практике микробиологических и других производств по объему

выпускаемой продукции).

Существующие ветви биотехнологических субдисциплин (им-

мунобиотехнология, инженерная энзимология), применительно к

конкретным производствам, рассмотрены в соответствующих гла-

вах второй части учебника. Например, генно-инженерные проти-

вовирусные вакцины включены в главу "Микробная биотехноло-

гия",

тогда как вирусные вакцины, получаемые на культивируемых

клетках и тканях животных организмов, приведены в главе "Зоо-

биотехнология". Биохимические процессы на основе инженерной

энзимологии рассмотрены на примерах ферментов преимущест-

венно микробного происхождения, поэтому и этот раздел включен

в главу 9.

Глава 9.

МИКРОБИОТЕХНОЛОГИЯ

Микробиотехнология, или микробная биотехнология базиру-

ется на интегрированном использовании микробиологии, биохи-

мии и инженерных наук. с целью реализации потенциальных

способностей микроорганизмов в технике и промышленном про-

изводстве. По сути своей микробиотехнология тождественна про-

мышленной (технической) микробиологии. Ее объектами являются

микробы-вирусы (включая вироиды и фаги), бактерии, грибы,

лишайники, протозоа (см. главу 2). В ряде случаев биообъектами

являются первичные метаболиты микробного происхождения —

ферменты, каталитическая активность которых лежит в основе

инженерной энзимологии.

374