Глава 2. Промышленная микробиология:

ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛЕЗНЫХ ВЕЩЕСТВ

Промышленная микробиология – это наука о получении различных

целевых продуктов на основе жизнедеятельности микроорганизмов. Про-

мышленная микробиология (или техническая микробиология) в настоя-

щее время представляет собой также самостоятельную и наиболее круп-

нотоннажную отрасль современной промышленной биотехнологии. Ог-

ромное разнообразие микроорганизмов, утилизирующих в качестве рос-

товых субстратов различные соединения, в том числе отходы, позволяет

получать широкий спектр биологически активных соединений, а также

осуществлять полезные для человека реакции, включая обезвреживание

отходов, трансформацию и получение энергии, и многое другое.

В настоящее время в различных процессах промышленной микробио-

логии получают около 200 соединений, обладающих коммерческой цен-

ностью. Важнейшими среди них являются: алкалоиды, аминокислоты,

антибиотики, антиметаболиты, антиоксиданты, белки, витамины, герби-

циды, инсектициды, коферменты, липиды, нуклеиновые кислоты, органи-

ческие кислоты, пигменты, ПАВ, полисахариды, полиоксиалканоаты, про-

тивоопухолевые агенты, растворители, сахара, стерины, ферменты, нук-

леотиды, нуклеозиды, эмульгаторы.

2.1. Белок одноклеточных

Наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, в особенно-

сти, – высокой биологической ценности, то есть животного происхожде-

ния. Мировая потребность в белка в настоящее время удовлетворяется

примерно на 40 %. Предполагается, что к 2000 году с ростом населения

потребность в белке увеличится, при этом дефицит кормового белка воз-

растет до 147 %. Поэтому изыскание эффективных способов увеличения

ресурсов белка для прямого или непрямого (через организм сельскохозяй-

ственных животных) увеличения пищевых ресурсов является одной из

основных задач научно-технического прогресса.

Нетрадиционным и принципиально новым способом получения белко-

вых веществ является микробиологический синтез. По скорости роста

микроорганизмы превосходят сельскохозяйственные культуры в сотни, а

животных – в тысячи раз. Поэтому микробиологический синтез с большей

эффективностью использует материальные и энергетические ресурсы, не

требует больших земельных площадей и не зависит от погодных и клима-

тических условий и не загрязняет окружающую среду ядохимикатами, так

как не использует пестициды. Качество микробных белков близко белкам

40

животного происхождения. Применение микробных белков в кормопро-

изводстве улучшает качество и усвояемость традиционных растительных

кормов. Например, 1 т кормовых дрожжей обеспечивает экономию 5 т

зерна и увеличивает продуктивность в животноводстве на 15–30 %. Со-

временный средний завод по производству микробного белка мощностью

50 Т/год и занимающий 0.2 га может обеспечить потребность в белке до 10

млн. человек. Сельскохозяйственные технологии для таких масштабов

производства требуют до 16 тыс. га, засеянных пшеницей, либо содержа-

ние фермы с производительностью 400 поросят/день. В 60-е годы появил-

ся новый термин – «белок одноклеточных» (single cell protein, «SCP»),

означающий целые неживые высушенные микробные клетки (водорослей,

дрожжей, бактерий, грибов), предназначенные в качестве белкового про-

дукта для кормовых и пищевых целей. Термин несколько условен, так как

в микробных биомассах помимо белков существенную долю занимают

другие компоненты – сахара, липиды, нуклеиновые кислоты. Белок одно-

клеточных должен удовлетворять ряду специальных требований. Главны-

ми являются: питательность, переваримость, экономическая эффектив-

ность. Питательность микробного белка, определяемая по химическому

составу, близка традиционным белковым продуктам (табл. 2.1).

Микробная биомасса питательна, если ее компоненты перевариваются

ферментами пищеварительного тракта высших животных или человека.

Препятствием этому могут быть клеточные стенки отдельных продуцен-

тов, которые предварительно приходится разрушать, а также высокий уро-

вень нуклеиновых кислот. Последние метаболизируются в организме жи-

вотных и выводятся из организма с урини, следовательно, не представля-

ют для высших животных опасности. Для человека такой уровень нуклеи-

новых кислот неприемлем, так как в ходе их усвоения возможно наруше-

ние обмена веществ и возникновение патологических состояний. Поэтому

для пищевых целей микробную биомассу предварительно обрабатывают,

используя различные методы разрушения и денуклеотизации.

Т а б л и ц а 2 . 1

Химический состав микробных биомасс и традиционных белковых продуктов

(по Waterworth, 1982)

Состав, % Водоросли Нитчатые

грибы

Дрожжи Бактерии Соя Рыбная

мука

Белок 47–63 31–50 47–56 72–83 45 64

Жиры 7–20 2–8 2–6 1–3 1 9

Зола 7 2 6 8 6 18

Лизин 2.4 1.5 4.2 4.1 2.8 4.0

Метионин-

Цистеин

1.7 0.8 1.7 2.3 1.3 2.8

Нуклеиновые

кислоты

3–8 9 6–12 8–16 нет нет

41

В технико-экономических показателях микробиологического синтеза

белка определяющее значение имеют удельные затраты и стоимость сы-

рья (до 50 % в структуре всех затрат) и энергозатраты (до15–30 %). По-

этому важнейшим вопросом при разработке новых технологий получения

белка одноклеточных вопрос доступности сырьевой базы. Доступность

сырья подразумевает наличие различных резервных вариантов, позво-

ляющих оперативно заменять и использовать различные источники сырья

без существенного изменения качества получаемого продукта. В совре-

менных промышленных процессах используют как «чистое» сырье посто-

янного химического состава, так и комплексные соединения, включая от-

ходы различных производств. Последнее наиболее выгодно экономически

и имеет огромное значение для охраны окружающей среды.

Микроорганизмы способны усваивать различные углеродсодержащие

субстраты, которые принято подразделять на несколько поколений:

1-е поколение – углеводы;

2-е поколение – жидкие углеводороды;

3-е поколение – оксидаты углеводородов, газообразные углеводороды,

углекислый газ, включая смеси с водородом.

Независимо от вида используемого сырья, типовая схема микробио-

логического производства белка включает получение и подготовку сы-

рья, получение посевного материала, ферментацию, выделение, инакти-

вацию, сгущение микробной биомассы, последующее высушивание и

стандартизацию готового продукта. Большое значение имеет качество

исходного посевного материала (инокулята). Инокулят получают из му-

зейной культуры в несколько стадий с применением принципа масшта-

бирования. Подготовленные инокулят, основной ростовой субстрат и

все необходимые питательные компоненты вместе с воздухом подают в

ферментер, в котором происходит основная стадия биотехнологического

процесса – ферментационная. Стадия ферментации проводится в соот-

ветствии с Технологическим регламентом, разработанным для конкрет-

ного процесса, включая субстрат и тип продуцента, и сводится к дози-

рованному поступлению в ферментер потоков питательных веществ и

воздуха (или газовой смеси), стабилизации основных параметров про-

цесса на заданных уровнях и своевременному отводу из аппарата отра-

ботанного воздуха, образующихся продуктов, а также тепла. Макси-

мальные скорости синтеза белковых веществ микробными клетками

реализуются при оптимальных условиях среды, когда удельная скорость

роста близка к максимальной. Поэтому для получения белка однокле-

точных биотехнологические процессы реализуют в проточном режиме,

который позволяет стабилизировать практически все параметры стадии

ферментации на уровнях, оптимальных для размножения клеток со ско-

ростями роста, близкими к μmax, то есть в режиме белковой направлен-

ности биосинтеза. При производстве биомассы в качестве кормового

42

белкового продукта, как правило, осуществляется режим незащищенной

ферментации, то есть без соблюдения правил стерильности. Последнее

оправдано как условиями ферментации (проточное культивирование),

так и спецификой применяемых субстратов и штаммов-продуцентов, а

также сферой применения конечного продукта. Получаемая на стадии

ферментации суспензия с 1–2.5 % содержанием микробной биомассы по

сухому веществу (АСВ), то есть 10–25 кг/м3, на постферментационной

стадии подвергается сгущению в несколько этапов до 12–16 % АСВ и

термообработке, в ходе которой в течение 10–40 минут при 75–90°C

практически все клетки штамма-продуцента и сопутствующая микро-

флора погибают. После стадии термообработки суспензию в вакуум-

выпарных установках сгущают до концентрации 20–25 % АСВ и далее

высушивают до остаточной влажности конечного продукта около 10 %.

Далее мелкодисперсный порошок высушенных клеток гранулируют.

Порошок или гранулят фасуют по 25–30 кг и затаривают в многослой-

ные бумажные мешки.

Обязательным условием технологического процесса получения мик-

робной биомассы является очистка газо-воздушных выбросов, которые

образуются на стадии ферментации и постферментационной стадии и

представляют собой большие объемы воздуха, загрязненного живыми

микробными клетками, белковой пылью и другими продуктами микроб-

ного синтеза. Очистке подвергаются также большие объемы культураль-

ной жидкости, образуемой после отделения клеточной биомассы. Очи-

щенная жидкость используется в цикле оборотного водоснабжения техно-

логической схемы производства.

Технология получения микробного белка является в настоящее время

самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии, производящей важ-

нейшие кормовые препараты и белковые добавки для животноводства,

звероводства, птицеводства, рыбоводства, а также белок пищевого назна-

чения с использованием разнообразного сырья и субстратов.

Субстраты I-го поколения – углеводы

Идею использования биомассы микроорганизмов в качестве белковых

компонентов питания с 1890 г. начал пропагандировать Дельбрюк, кото-

рый вместе с коллегами разработал первый технологический процесс вы-

ращивания пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae на мелассе. Полу-

ченную дрожжевую биомассу рекомендовали использовать в качестве

белковой добавки в пищевые продукты. Во время первой мировой войны

мощность действующих в Германии установок по производству дрожже-

вого белка достигала 10 тыс. тонн/г. Получаемый продукт использовали

главным образом, добавляя в мясные фарши. К середине 30-х годов про-

изводства дрожжей на гидролизатах отходов сельского хозяйства и дере-

вообрабатывающей промышленности, сульфитном щелоке, барде гидро-

лизных заводов стали появляться в разных странах. В России первый за-

43

вод по производству кормовых дрожжей из отходов сельского хозяйства

был пущен в 1935 г. Во время второй мировой войны биомасса пищевых

дрожжей (Candida arborea и C. utilis) также была важным белковым ком-

понентом питания в Германии. После второй мировой войны серия заво-

дов по производству пищевых дрожжей на углеводном сырье производи-

тельностью 10–12 тонн в сутки была построена в разных странах.

В настоящее время в микробиологических производствах белка при-

меняется различное сахаросодержащее сырье. Это отходы пищевой, мо-

лочной, спиртовой, сахарной и целлюлозной промышленности и продук-

ты переработки растительного сырья (древесины, соломы, торфа, несъе-

добных частей растений – стебли, лузга, кочерыжки). Питательные среды,

приготовленные на основе перечисленных субстратов, содержат наборы

моно- и дисахаров, органические кислоты, спирты и другие органические

соединения, а также минеральные элементы, то есть являются сложными

многокомпонентыми субстратами. Поэтому при их применении исполь-

зуют штаммы-продуценты, способные, во-первых, усваивать как пентозы,

так и гексозы, и, во-вторых, – устойчивые к присутствию спиртов, фурфу-

рола и других продуктов гидролиза растительных биомасс. Наибольшее

распространение получили виды дрожжей рода Candida: C. utilis, C. scottii,

C. tropicalis, способные утилизировать наряду с гексозами пентозы и толе-

рантные к наличию фурфурола в среде. Дрожжи утилизируют углеродсо-

держащие компоненты гидролизатов, сульфитного щелока, последова-

тельно: глюкоза, уксусная кислота, манноза, ксилоза, галактоза, арабино-

за. В зависимости от выбранной схемы культивирования дрожжей полно-

та использования перечисленных углеродсодержащих компонентов раз-

лична; максимальная – при использовании смешанных культур. Приме-

няются две, наиболее эффективные, схемы соединения ферментационных

аппаратов при совместном выращивании C. scottii и C. tropicalis: двухсту-

пенчатая последовательная и параллельно-последовательная. В первом

варианте в качестве исходной питательной среды используют неразбав-

ленный гидролизат (сусло) с концентрацией редуцирующих веществ (РВ)

30–35 г/л (по массе). В первом ферментере утилизируется около 70 % РВ,

главным образом за счет легкоусвояемых гексоз, до остаточной концен-

трации РВ около 10–15 г/л, в основном, пентоз. Полученные в первом ап-

парате дрожжи выделяются из дрожжевой суспензии и подвергаются об-

работке до получения готового продукта; а отделенная культуральная

жидкость поступает во второй аппарат, в котором оставшиеся пентозы

утилизируются более приспособленными к ним другими штаммами

дрожжей. По второму варианту используют два последовательно соеди-

ненных фермента: в первый поступает разбавленное сусло с концентраци-

ей РВ около 15–18 г/л; в нем в ходе ферментации дрожжей утилизируются

в основном гексозы. Далее дрожжевая суспензия поступает во второй ап-

парат, в котором без добавления субстрата происходит доутилизация ос-

44

тавшихся сахаров. Общий выход дрожжей достигает при этом 70–80 % по

отношению к РВ.

Выращивание дрожжей на данных субстратах осуществляют в аппара-

тах эрлифтного типа объемом от 300 до 600 м3 с вводом воздуха в ниж-

нюю зону аппарата при избыточном давлении 40–60 КПа. В процессе на-

сыщения питательной среды воздухом образуется газо-жидкостная эмуль-

сия, циркулирующая по всему объему аппарата, обеспечивающая эффек-

тивное перемешивание среды. Для борьбы с образующейся при аэрации

пеной используют механическое пеногашение. Рабочий объем аппарата

составляет около 70 % от общего объема. На отдельных предприятиях

применяют также барботажно-эрлифтные ферментеры большего объема,

до 1300 м3 с воздухораспределением по нескольким, обычно 4–5 зонам.

Процесс выращивания дрожжей осуществляется в непрерывном режи-

ме при скорости протока среды, равной 0.20–0.25 ч-1, рН 4.2–4.6; темпе-

ратура среды составляет в зависимости от используемых штаммов от 30–

35 до 38–40°С. Сдвиг рН в кислую сторону в ходе ферментации дрожжей

автоматически корректируется подтитровкой среды аммиачной водой.

Для отвода образующегося в ходе ферментации тепла в составе аппаратов

применяют теплообменные устройства в виде змеевиков, через которые

циркулирует охлажденная вода. Суспензия, сливаемая из аппарата, с со-

держанием дрожжей от 20 до 40 г/л и влажностью 75 %, поступает на ста-

дию обработки и концентрирования, в ходе которой подвергается флота-

ции, трехступенчатой сепарации, термообработке и высушиванию. Для

обогащения дрожжевой биомассы витамином D2 дрожжи облучают ульт-

рафиолетом, под воздействием которого содержащийся в липидной фрак-

ции клеток эргостерин превращается в витамин. Для этого сгущенную

суспензию дрожжей прокачивают по кварцевым трубкам. Содержание

витамина D2 достигает 5000 МЕ/1 г АСВ. В составе биомассы дрожжей

(%): белок – 43–58, липиды – 2–3, углеводы – 11–23, зола – 11, остаточная

влажность – не более 10. Выход товарных дрожжей на продуктах перера-

ботки отходов древесины составляет 46–48 %. Это соответствует выходу