Субстраты II- го поколения: углеводороды.
Субстраты II-го поколения – жидкие углеводороды.
Интенсивные научные исследования углеводородов в качестве потенциального субстрата для получения белка одноклеточных были развернуты в 50–60-е годы ХХ столетия. Было установлено, что микроорганизмами могут усваиваться практически все классы углеводородов, включая прямогонные дизельные фракции, очищенные жидкие парафины, масляные дистилляты и другие нефтепродукты, содержащие n-парафины, но с наибольшими скоростями утилизируются углеводороды нормального строения с длиной углеродной цепи С11–С18, вскипающие при 200–320 °С.
В качестве штаммов-продуцентов белка одноклеточных на углеводородах наибольшее распространение получили дрожжи рода Candida: C.guilliermondii, C. maltosa, C. scottii. Полученные в результате селекционногенетической работы быстрорастущие штаммы устойчивы к вытеснению другими микробными видами в условиях нестерильной промышленной культуры.
Углеводороды проникают в микробные клетки через липидную фракцию клеточной стенки, имеющей гидрофобную структуру, до цитоплазматической мембраны по градиенту концентрации. Микробиологическое окисление n-парафинов включает несколько этапов. В результате первичного окисления углеводородов образуются спирты.
Спирты далее с участием алкогольдегидрогеназы окисляются до альдегидов, которые альдегиддегидрогеназой окисляются до кислот. Далее в реакциях β-окисления при участии ацетил-КоА образуются соответствующие производные кислот, которые при участии ацетилгидрогеназы окисляются с образованием соединений с двойной углеродной связью.
|
|
|
Далее ненасыщенное соединение гидратируется, превращаясь в β-кислоту, которая восстанавливается до кетокислоты.
Реакции β-окисления завершаются при участии α-кетоацетилтиолазы с образованием ацетил-КоА и жирной кислоты с укороченной на 2 атома углерода цепью по сравнению с исходной кислотой.
Ацетил-КоА-эфир жирной кислоты снова вступает в реакции β-окисления.
При получении белковой биомассы на углеводородах имеются существенные ограничения, так как в исходных парафинах могут присутствовать циклические углеводороды. Поэтому в качестве сырья могут быть использованы только высокоочищенные парафины с содержанием ароматических углеводородов не более 0.01%. Парафины не растворяются в воде, поэтому культивирование на данном субстрате осуществляется в эмульсии, представляющей собой мелко диспергированные в среде капли углеводородов диаметром не более 5 мкм. В данном случае культура является четырехфазной системой («газ – жидкость – жидкие углеводороды – микробные клетки»). Кроме перемешивания на эффективность диспергирования углеводородов оказывает влияние также поверхностное натяжение, поэтому очень важен состав и реологические свойства питательной среды. Парафины служат только источником энергии и углерода для микроорганизмов, поэтому все необходимые для роста дрожжей макро- и микроэлементы дозируют в питательную среду в соответствии с потребностями в них культуры. В питательную среду вводятся сульфат аммония, суперфосфат, хлорид калия и раствор микроэлементов, а также ПАВ для снижения поверхностного натяжения и повышения скорости роста дрожжей. Используемая для коррекции рН среды аммиачная вода является также дополнительным источником азота. Содержание парафинов в исходной питательной среде на стадии ферментации составляет 3–5 %. С увеличением концентрации углерода потребности культуры в кислороде возрастают, так как утилизация углеводородов клетками осуществляется в режиме интенсивной аэрации. Потребности углеводород-ассимилирующих дрожжей в кислороде в 2,6–2,8 раза выше по сравнению с процессом на углеводах. Расход воздуха составляет от 20 до 50 м3 на 1 кг АСВ дрожжей.
|
|
|
|
|
|
Субстраты III-го поколения: особенности получения белка одноклеточных на спиртах и природном газе.
Субстраты III-го поколения – оксидады углеводородов, газообразные углеводороды, углекислота, водород.Перспективными видами сырьядля крупнотоннажного получения микробного белка принято считать спирты, природный газ, водород.
Масштабы производства, технологичность низших спиртов и качество получаемого микробного белка выдвинули метанол и этанол в разряд наиболее перспективных субстратов. Было показано, что способность усваивать метанол присуща как дрожжам (рода Hansenula, Candida), так и бактериям (Pseudomonas, Methylomonas).
Усвоение метанола микроорганизмами происходит в результате трех последовательных стадий через формальдегид и формиат до углекислоты.
Преимущества метанола по сравнению с жидкими углеводородами состоят в его прекрасной растворимости в воде, высокой чистоте и отсутствии канцерогенных примесей, высокой летучести. Это позволяет легко удалять его остатки из готового продукта на стадии термообработки и высушивания. Тепловыделение в ходе ферментации на метаноле также существенно ниже вследствие химического строения спиртов и наличия в их составе кислорода. Биологическая активность спиртов, проявляющаяся по отношению к посторонней микрофлоре, служит дополнительным фактором, обеспечивающим доминирование в культуре производственных штаммов-продуцентов. Однако горючесть спиртов и возможность образования с воздухом взрывоопасных смесей (диапазон концентраций 6–35 % объемных), а также токсичность требуют специальных мер, обеспечивающих безопасный режим работы.
|
|
|
Питательная среда, помимо спирта (8–10 г/л), содержит все необходимые для нелимитированного роста клеток элементы питания. Помимо традиционных макро- и микроэлементов в среду в качестве дополнительного источника азотного питания и витаминов вводят дрожжевой экстракт (50 мг/л).
Высокоочищенным субстратом для получения микробного белка пищевого назначения является этанол. Наиболее продуктивные производственные штаммы дрожжей (C. utilis, Hancenula anomala) обеспечивают получение белкового продукта пищевого назначения с содержанием белка до 60 % при скорости протока среды 0.14 ч-1 и экономическим коэффициентом по этанолу 0.40–0.45. До недавнего времени вопрос о реализации процесса получения микробного белка на спиртах в промышленных масштабах не казался злободневным из-за достаточно высокой отпускной цены на данный субстрат. Однако в связи с разработкой в последние годы более эффективных технологий получения спиртов и повышением спроса на белковые продукты данная технология становится перспективной.
В 70-е годы с поиском новых доступных источников сырья стали рассматривать возможности привлечения для получения микробного белка газообразных углеводородов, главным образом метана, источником которого служит широко распространенный природный газ. Природный газ, помимо сравнительно низкой стоимости и доступности, характеризуется отсутствием ингибирующих рост микроорганизмов примесей, позволяет получать сравнительно большие выходы биомассы и не требует специальной очистки ни исходного сырья, ни получаемой биомассы. Продуцентами микробного белка на метане являются бактерии родов Methylococcus, Pseudomonas, Mycobacterium, Methanomonas, которые утилизируют метан в качестве источника углерода и энергии, окисляя его последовательно стадий через спирт и альдегид до углекислоты.
При использовании метана возникает ряд существенных технологических проблем в связи с особенностями метана. Метан поступает из газовой фазы и имеет низкую растворимость (до 0,02 г/л при нормальном давлении), поэтому скорость его растворения в культуре служит лимитирующим фактором, определяющим скорость роста продуцента. Синтез биомассы сопровождается выделением в околоклеточную среду промежуточных продуктов окисления метана (до 0,2–0,6 г углерода на 1 г синтезированной биомассы), ингибирующих развитие основного производственного штамма. Поэтому используют микробную ассоциацию, в составе которой, помимо метанотрофов, развиваются 5–6 гетеротрофных видов, утилизирующих продукты неполного окисления метана. В связи с высокой восстановленностью метана для его микробного окисления требуется большое количество кислорода (в 5 раз больше, чем на углеводах, и в 2–3 раза больше, чем при окислении жидких углеводородов). Поэтому процесс требует сложного аппаратурного оформления стадии ферментации. Выращивание метанотрофных бактерий осуществляется в проточной культуре при 34–38 °С и нейтральных значениях рН среды. Питательная среда содержит обычный набор минеральных элементов; источником азота служит как восстановленая, так и окисленные формы. При использовании олигонитрофильных микроорганизмов концентрация азота в среде низка (20–30 мг/л). Потребности в кислороде у микробных клеток в 2–3 раза превышает их потребности в метане. Однако из-за взрывоопасности субстрата стехиометрическое соотношение данных газов принимается не оптимальным для развития бактерий, и процесс реализуют при лимите по кислороду и избытке метана.
Для выращивания метанотрофных бактерий используют аппараты со струйным диспергированием газовой среды, имеющие высокие массообменные характеристики. Для более полного усвоения метана применяют рециркуляцию газовой смеси, повышение рабочего давления в аппарате, а также использование вместо воздуха кислорода.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1179; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!