^ 2. Очистка газовоздушных
выбросов
На отдельных предприятиях
микробиологической промышленности
вместе с отработанным воздухом
в атмосферу могут выбрасываться
большие количества микроорганизмов-продуцентов.
Например, на гидролизно-дрожжевом
заводе, при обследовании воздуха,
выбрасываемого из ферментера, было
выявлено от 16-103 до 316-103 клеток микроорганизмов
на м2, а на заводе по производству
белково-витаминных концентратов -
от 200 до 436 х 103 клеток на 1 м³.
Большая запыленность
воздуха белковыми и другими
и другими продуктами микробного
синтеза отмечается на стадиях
сушки, упаковки и погрузки
в вагоны. Значительная запыленность
воздуха питательными солями
и сырьем (опилки, отруби, мука и
др.) имеет место в отделениях
и цехах приготовления питательных
сред.
Одним из важнейших мероприятий,
снижающих выброс микроорганизмов
в окружающую среду, является герметизация
ферментеров, флотаторов и оборудования
узла сепарации. На ряде предприятий
дрожжевого профиля высокоэффективная
очистка отработанного воздуха
из ферментаторов, флотаторов, узла, сушильных
установок и упаковочного отделения
осуществляется с помощью скрубберов
Вентури. Он состоит из трубы Вентури
(турбулентный промыватель), предназначенной
для коагулирования мелких твердых
частиц, инерционного аппарата и центробежного
скруббера для отделения газа и укрупненных
частиц и капелек жидкости. Запыленный
газ подается вентилятором в трубу Вентури
и смешивается с водой. Скоагулированные
частицы пыли с мелкими капельками воды
и газа поступают в инерционный аппарат,
где газ частично отделяется от жидкости.
Окончательное отделение жидкости от
газа осуществляется в центробежном скруббере.
Очищенный газ выбрасывается в атмосферу,
а вода с твердыми частицами выводится
из инерционного аппарата и скруббера
в сборник. Вода из сборника многократно
используется для орошения трубы Вентури
и может направляться в производство с
целью утилизации уловленных частиц. Представляет
интерес мокрое улавливание пылевидных
частиц концентрата лизина, уносимых с
газом из циклонов распылительной сушилки.
В этом случае потери лизина на стадии
сушки сводятся к минимуму в связи с хорошей
растворимостью лизина в воде и возвратом
его в производство в концентрированном
виде с последующей сушкой на предприятиях,
со сравнительно небольшими объемами
загрязненных воздушных выбросов. Очистку
воздуха до чистого или стерильного состояния
можно осуществлять с помощью фильтров
грубой и тонкой очистки ли путем сжигания.
В ряде случаев снижения вредных выбросов
в атмосферу можно достичь путем совершенствования
технологии.
Вопросы для самопроверки
Назовите основные
источники загрязнения воды и
качественный состав сточных
вод?
Какие существуют способы
очистки сточных вод?
Что такое аэротенк,
его назначение?
Как проводится очистка
газовоздушных выбрасов?
Тема 5. Производство и промышленное
использование ферментов
Значение ферментов,
источники их получения
Промышленные ферментные
препараты
Факторы, влияющие на
биосинтез ферментов
Применение ферментативных
препаратов
^ 1. Значение ферментов,
источники их получения
Ферменты (энзимы) - катализаторы
белковой природы, образующиеся
и функционирующие во всех
живых организмах. Ферменты не
изменяются и не расходуются
в процессе реакции, ускоряют
только те реакции, которые
могут протекать и без них.
Скорость протекания реакции
при участии ферментов на несколько
порядков выше, чем под влиянием
химических катализаторов. Для
ферментативных реакций характерен
почти 100% выход продуктов. Ферменты
обладают узкой специфичностью,
действуют только на те же
вещества, превращение которых они
катализируют. В настоящее время
в природе обнаружено свыше
3 тысяч ферментов.
Большинство биотехнологий
основано на использовании биокатализаторов,
потребность в которых постоянно
возрастает. Единственным, неограниченным
источником ферментов являются
микроорганизмы, из которых можно
выделить любые из известных
в настоящее время ферментов.
Исключение составляет папаин (размягчитель
мяса), который получают из плодов
папайи. Продуктивность штаммов
микроорганизмов, производящих ферменты,
можно увеличить с помощью
мутагенных факторов в 2-5 раз.
Пересадкой плазмид получают
количество ферментов, достигающее
50% массы продуцируемого белка.
Синтезируемые микроорганизмами
ферменты подразделяются на внеклеточные
и внутриклеточные. К внеклеточным
ферментам относятся амилаза,
целлюлаза, лактаза, липаза, пектиназа,
протеаза, к внутриклеточным - аспарагиназа.
каталаза, инвертаза.
Внеклеточные ферменты
получают из культуральной жидкости,
предварительно отделанной от
микроорганизмов. Для выделения
внутриклеточных ферментов разрушают
клеточные оболочки с помощью
механических, физических, химических
(действие кислот, растворителей), ферментативных
и биологических методов.
Ферменты применяются
в пищевой, фармацевтической, текстильной,
кожевенной и других отраслях
промышленности, в медицине, сельском
хозяйстве, химическом синтезе.
Более широкое технологическое
применение ферментов до последнего
времени сдерживалось рядом причин,
из которых важнейшими являются:
трудоемкость отделения
ферментов от исходных реагентов
и продуктов реакции;
неустойчивость ферментов
при хранении, различных воздействиях
(тепловых);
трудоемкость очистки
ферментов и получения их в
активном виде.
^ 2. Промышленные ферментные
препараты
Использование микробных
ферментов в некоторых отраслях
промышленности началось более
70 лет назад. Большую часть,
составляют гидролазы (реакции
гидролиза), так как именно они
являются основными в промышленной
биотехнологии. От общего количества
потребляемых ферментов 99% выпуска
приходится на 16 препаратов.
Рассмотрим подробнее
некоторые группы ферментов.
К амилолитическим
ферментам относятся L-амилаза,
ß-амилаза, глюкоамилаза. Их действие
проявляется при гидролизе крахмала
и гликогена. Крахмал при гидролизе
сначала расщепляется на более
простые полисахариды - декстрины,
а затем - до глюкозы.
Эти ферменты применяются
в спиртовой промышленности, хлебопечении.
Протеолитические ферменты
относятся к гидролазам, образуя
группу пептидгидролаз. Их действие заключается
в ускорении гидролиза пептидных
связей в белках и пептидах. Важная
их особенность - выборочный, селективный
характер действия на пептидные связи
в белковой молекуле. Например, пепсин
действует только на связь с ароматическими
аминокислотами, трипсин - только на связь
между аргинином и лизином. Из
них рН 1,5-3,7 имеют кислые протеазы;
рН 6,5-7,5 - протеазы; рН> 8,0 - щелочные протеазы.
Применение протеаз
широкое: мясная промышленность
для умягчения мяса, кожевенная
промышленность - при обезволошивании
(удаление волосяного покрова)
и размягчении шкур; кинопроизводство
- для растворения желатинового
слоя на пленках при их регенерации;
парфюмерия - при создании добавок
в зубную пасту, кремы, лосьоны,
промышленность синтетических моющих
средств - при применении моющих добавок
для удаления загрязнений белковой природы;
медицина - при лечении воспалительных
процессов, ожогов, тромбозов.
Пектолитические ферменты объединены
в одну группу по внешнему проявлению
своего действия - уменьшению молекулярной
массы и снижению вязкости пектиновых
веществ (пектин - пектиновые кислоты
и протопектин) представителей полисахаридов.
Они содержатся во фруктах, корнеплодах,
стеблях (лен). Пектиновые вещества имеют
молекулярную массу от 20000 до 200000. Все
пектиназы делятся на два вида
- гидролазы и трансэлиминазы. Применение
в текстильной промышленности - вымачивание
льна перед его переработкой, в
виноделии - осветление вин, уничтожение
мутности, в консервировании - при
приготовлении фруктовых соков.
Целлюлолитические ферменты
очень специфичны, их действие проявляется
лишь в деполимеризации молекул
целлюлозы, обычно они действуют
в виде комплекса, который в целом
доводит гидролиз целлюлозы до глюкозы.
Использование их очень перспективно
в гидролизной промышленности - это
получение глюкозы из целлюлозы;
в медицинской - выделение лекарственных
веществ (стероидов) из растений; в пищевой
- улучшение качества растительных
масел; в сельском хозяйстве - как
добавки в комбикорма для жвачных
животных. В мире производится около
530 т протеаз, 350 т глюкоамилазы, 350
т L-амилазы, 70 т глюкозоизомеразы.
^ 3. Факторы, влияющие на
биосинтез ферментов
Существует мнение, что
из клеток микроорганизмов можно
выделить любые из известных
ферментов. Большинство микроорганизмов
способно расти на относительно
простых и дешевых питательных
средах. Преодоление трудностей, связанных
с их производством и использованием,
связано с получением иммобилизованных
ферментов.
Иммобилизация ферментов
- это перевод их в нерастворимое
состояние с сохранением (частичным
или полным) каталитической активности.
Для получения иммобилизованных
ферментов обычно применяют следующие
методы:
Ковалентные присоединение
молекул ферментов к водонерастворимому
носителю, в качестве которого
используют как органические (природные
и синтетические) полимеры, так
и неорганические материалы. К
первым относятся целлюлоза, хитин,
агароза, декстрины, бумага, ткани,
полистирол, ионообменные смолы
и так далее. Ко вторым - пористое
стекло, силикагели, силохромы, керамика,
металлы и другие.
Захват фермента в
сетку геля или полимера.
Ковалентная сшивка
молекул фермента друг с другом
или с инертными белками (при
помощи би - или полифункционального
реагента).
Адсорбция фермента
на водонерастворимых носителях
(часто на ионитах).
Микрокапсулирование
(захват раствора фермента в
полупроницаемые капсулы размером
5-300 мкМ). В результате иммобилизации
ферменты приобретают преимущества
гетерогенных катализаторов. Их
можно удалять из реакционной
смеси и отделять от субстратов
и продуктов ферментативной реакции)
простой фильтрацией.
Иммобилизованные ферменты
более устойчивы к внешним
воздействиям, чем растворимые ферменты.
Принцип иммобилизации
был применен не только к
ферментам, но и к их субстратам
- веществам, имеющим избирательное
средство к ферментам. Это позволило
создать метод выделения и
очистки ферментов, основанный
на хроматографии по сродству.
Облегчилось выделение чистых
ферментов.
В последнее время
применяют иммобилизованные клетки
микроорганизмов, содержащих естественный
набор ферментов. Отпадают стадии
выделения, очистки и иммобилизации
ферментов. Ферменты в микроорганизме
находятся в наиболее естественном
окружении, что положительно сказывается
на их термостабильности и
операционной стабильности (продолжительности
работы в условиях опыта). Ферменты
в составе клеток микроорганизмов
долго сохраняют каталитические
свойства. Они также являются
гетерогенными биокатализаторами
со всеми преимуществами их
использования в технологических
целях.
Иммобилизация клеток
обычно проводится их адсорбцией
на водонерастворимых носителях
(часто на ионообменных смолах),
ковалентной сшивкой с помощью
бифункциональных реагентов (например,
глутарового альдегида) или захвата
их в полимер, как правило,
с последующим формованием в
виде частиц определенного размера
и конфигурации.
Иммобилизация целых
клеток микроорганизмов предотвращает
их размножение и обычно увеличивает
сохранность и срок работы
в качестве катализатора по
сравнению с необработанными
клетками.
Состав и количество
синтезируемых клетками ферментов
зависит от наследственных свойств
данного организма. Под действием
мутагенных факторов (ионизирующее
и неионизирующее излучения, изотопы,
антибиотики, химические соединения,
обладающие высокой преобразующей
способностью по отношению к
наследственным элементам клетки),
получают промышленно ценные
штаммы мутантов.
Производительность технологических
процессов по каждому ферменту
зависит и от питательной среды,
имея в виду наличие в ней
не только источников углерода,
азота, фосфора и других элементов,
но и веществ, играющих роль
индукторов или репрессоров биосинтеза
данного конкретного фермента
или их групп. Например, фермент
липаза почти не синтезируется
грибом на среде без индуктора,
внесение кашалотового жира усиливает
биосинтез фермента в сотни
раз. Этот же вид гриба при
добавлении в среду крахмала
и полном исключении минерального
фосфора интенсивно синтезирует
другой фермент - фосфатазу.
Для интенсификации
процесса роста и синтеза ферментов
часто добавляют всевозможные
вытяжки или экстракты, содержащие
дополнительные факторы роста.
К ним относятся, прежде всего,
аминокислоты. Они легко проникают
внутрь клетки и специфически
влияют на образование фермента.
Механизм их действия заключается
в компенсации недостающих свободных
внутриклеточных аминокислот, необходимых
для синтеза фермента. Факторами
роста являются также пуриновые
основания и их производные,
РНК и продукты ее гидролиза.
Все рассмотренные факторы должны
учитываться при составлении
питательных сред для культивирования
продуцентов ферментов. В промышленных
средах в качестве источников
органического углерода и азота
чаще всего используют различные
сорта крахмала (картофельный, кукурузный,
рисовый), кукурузный экстракт, соевую
муку и т. д. Микроорганизмы
для своего роста могут утилизировать
и минеральные соединения азота,
которые превращаются в аммиак,
необходимый для синтеза сложных
азотсодержащих органических соединений.