Лектор Катедра Св...

Лектор: доц. д-р Анна Куюмджиева

Катедра: Обща и промишлена микробиология

Биологически факултет

Софийски университет “Св. Климент Охридски”

http://uni-lab.net/2010-1

Индустриалната микробиология = промишлена микробна технологиясе дефинира като приложение на научните и инжeнерни принципи притретиране на различни суровини по микробиологичен начин за получаване настоки и услуги.

Услуги – третиране на води, преработка наиндустриални и селскостопански отпадъци и опазванена околната среда.

Научни и инженерни подходи - използване на информацията иопита от микробиологията, биохимията, физиологията, генетикатаи машинно инженерство.

Микробиологичен начин – включва мокроорганизмите итехните компоненти:

Материали – органични и неорганични субстрати, използвани от микрооргнизмите за биоконверсия;

Предварителна обработка (pretreatment);

Стоки – терминът стоки включва продукти отфармацевтичната и хранителната индустрия и продуктипредназначени за селското стопанство;

МИКРОБИОЛОГИЯ

БИОХИМИЯ ГЕНЕТИКА

ФИЗИОЛОГИЯМОЛЕКУЛЯРНАБИОЛОГИЯ

МИКРОБНО

ИНЖЕНЕРСТВО

Моделиране, математическаобработка

ТЕХНИЧЕСКО


Устройства закултивиране иизолиране напродукти

ХИМИЧЕСКО


Обмен накислородамасообмен

ЦЕНООБРА-ЗУВАНЕ

Икономика, суровини, материали иенергия

Регулация (механизми)

Подобряванеи селекция

Растеж и образуванена продукти

Биокатализа(ензими и клетки)

Таксономия, Екология

Интердисциплинарни връзки на приложната микробиология

Основни типове микробни биопроцеси

• Производство на биомаса (микробен протеин)• Производство на клетъчни компоненти (ензими, нуклеинови киселини и др.)

• Метаболити първични метаболити (химични продукти отметаболитната активност – алкохоли, полиололи)

вторични метаболити (антибиотици, токсини, алколоиди и др.)

• Биоконверсия едносубстратна конверсия многосубстратна конверсия

Производство на биомаса

• Белтък от микробна биомаса: single cell protein (SCP) отбактерии, дрожди, гъби и водорасли

• Химически състав: ~ 50% белтък, мазнини, нуклеиновикиселини, витамини и минерални компоненти

• Субстрати: нефтени въглеводороди, метанол, етанол, метан, водород, млечна суроватка, меласа, нишесте, целулозосъдържащи субстрати и отпадъци от селскотостопанство.

Получаване на алкохоли и полиоли

• Деградация на нефтени въглеводороди: етанол; бутанол; глицерин; 2,3-бутандиол (дрожди, бактерии)

• Деградация на растителни суровини: основнополучаване на етанол

• Ферментация на меласа (бактерии от р. Clostridium): етанол; ацеталдехид; оцетна киселина; етилацетат, диетилов етер, глицерин

• Други суровини: хидролизати от дървесина, нишесте, млечна суровотка, отпадъци от хранителнатапромишленост

• Оползотворяване на отпадни продукти: използване наюто хранителни добавки във фуража на животните

Други производства

• Получаване на вторични метаболити: нискомолекулнисъединения, които не съдържат енергия за растеж накултурата – антибиотици, алкалоиди, растежни хормони, токсини

• Микробни биотрансформации: протичат при мекиусловия и се предпочитат пред химичните

• Биоконверсия на етанол в оцетна киселина• Биоконверсия на глюкоза в глюконова киселина• Модификация на стероиди: получаване накортизонови препарати

Други производства

• Производство на ензими: настоящо производство всвета – около 20 ензимни препарата (65 хил. тона)

Промишлено производство на:амилаза и протеаза за текстилна, кожарскапромишленост и хлебопроизводство

пектинолтюитични ензими: преработка нарастителни суровини

липази, целулази, осидази и др.

Таблица 1. Производство на различни микробни продукти

Голям брой компоненти използвани за химичнасинтеза на ценни продукти

13. Субстрати

Инсулин, интерферон, ваксини12.Рекомбинантни протеини

Вит. В12, рибофлавин11а. Витамини

Ацетон, етанол, бутанол, амилов алкохол10. Органични разтворители

Млечна киселина, оцетна киселина, фумаровакиселина

9. Органични киселини

CO2, H2, CH48. Газообразни вещества

Сирене, мляко, хляб, оцет7. Храни

Na-глутамат, нуклеотиди6. Ароматизиращи агенти

Амилази, протеази, пектинази, инвертази, целулази

5. Ензими

β-полихидроски бутират4. Биодеградими материали

Бира, вино, дестилати3. Напитки

СтрептомицинТетрациклин

2. Антибиотици

L-глутаминоваL-лизин

1. Аминокиселини

ПримериПродукт / активност

Подобрено получаване на масла и метали.Откриване на нови резерви от масла, извличанена токсични метали

19. Разтваряне / натрупване

Разграждане на биологични и индустриалниотпадъци, детоксификация на токсични отпадъции нефт

18. Деградация

Стероиди, антибиотици, D-сорбитол17. Биотрансформация

Активност

Разнообразие от вирусни и бактериални ваксини16. Ваксини

Биологични торове, биоконтролни агенти,бактериални инсектициди, микориза

15. Клетки

Хранителни и фуражни дрожди и др. организми,използвани като едноклетъчен протеин (SCP)

14. Биомаса

Клетки, биомаса

Таблица 1. Продължение

Роля на микробиологията, биохимията имикробната физиология

Съществува маргинализиране на проблема по следнитепричини:

а) използване на традиционни микроорганизми;

б) концентриране на изследванията по генетика ибиохимия върху традиционни микробни модели;

в) пренебрегване на важни типове микроорганизми –анаеробни, автотрофни, бавно растящи.

Основни биокатализатори микроорганизмите

Селекция на суперпродуценти на първични и вторичниметаболити: получаване на продукти с висок добив; деградация на различни материали и отпадъци.

Използване на микробиални ензими - преимущества:

а) катализират широк спектър от реакции;

б) високо селективни;

в) висока скорост на реакциите;

г) използване на имобилизирани ензими – повишаванена икономическата ефективност.

Нови тенденции

Роля на генетиката

Причини:а) липса на задоволителни познания по генетика ибиохимия на микроорганизмите;

б) липса на убедителни доказателства и документация;

в) повишаването на добива се постига за кратко време.

Приложение на генетични методи за повишаване напродуктивността на щамовете продуценти (30 – 50 %).

Особености: постиженията се дължат в по-голямастепен на случайни попадения.

Роля на микробното инженерство

Изучаване на масообмена, средите, стерилизацията, аерирането, разбъркването;

Определение: изработване на технологични процедури исъздаване на фундаментална информация за физичните, кинетичните и други характеристики на процеса.

Изучаване на реологичните свойства на културите, особено при филаментозни микроорганизми, scale up иscale down системи;

Разработване на стратегии за култивиране на генетично-манипулирани микроорганизми и добив на продукти.

Разработване на технология за изолиране на микробнипродукти (50 – 80 % от тоталната цена на продукта);

Изработване на стратегии за контрол на процесите, регулиране и автоматизация;

Моделиране на ферментационни системи;

Основни подходи при реализацията наиндустриален микробиологичен процес

I ПОДХОД

Технологичен дизайн1. Производствен процес “ферментация”

2. Изолиране на продукт или клетки

• Клетъчна маса (биомаса);

• Метаболитни продукти от самите клетки;

• Продукт на биотрансформация на даден началенсубстрат.

Субстрат + Микробни клетки

Технологичен дизайн

(Оборудване)

Продукт

IІ ПОДХОД

Субстрат + Ензим

Технологичен дизайн

(Оборудване)

Продукт

Основни подходи при реализацията наиндустриален микробиологичен процес

В детайли технологичния процес е показан на Схема 1.

Субстрат

Стерилизация

Подготвянена хр. среда

Ферментация

Сепариранена биомаса икултуралнатечност

Изолиране напродукт

Пречистванена продукт

ПРОДУКТ

предварителна обработка и анализ

водасмесващи технологии

Посевенматериал

Ост. културалнатечност и/или

Биомаса

отпадъци

отпадъци

Отпадъци

топлинавъгл. диоксид и др. газове

ЕнергияАерацияИзмерванеКонтрол

ФерментацияСепарация

Нагласяванена рН, добавяне насоли,P,N Култивиране на

посевен материал

Схема 1 намикробиологичениндустриаленпроцес

Селекция нащама

Стерилизацияна средата

Резервоарза култура

Колба

Ферментор заинокулация

Продуктивна фазаФерментор

Подготвянена средата

Суровина

Регулиране нааерацията иразбъркването

Сепарация набиомаса

Изолиране напродукт

Пречистване напродукт

Преработкана отпаднитепродукти

Основни компоненти на микробиологичния процес

1. Схема на микробиологичен процес

2. Основни части – независимо от типа на процеса

Селекция на продуктивни микроорганизми

- Изисквания към хранителнмите елементи въглеродни субстрати N – източници растежни стимулатори

- Подходящи физични и химични условия за култивиране високи температури на култивиране третиране на субстратите с физически или химически

фактори- Тип на използвания ферментационен процес непрекъснат процес периодичен процес

• Селекция на продуктивни микроорганизми, поддържанеи съхранение


- Взаимодействие на микроорганизмите с устройстватаза култивиране Чувствителност към метални йони Прилепване към повърхности Образуване на пелети Пенообразуване

- Стабилност на микроорганизмите Морфология и генотип Устойчивост към фаги Промени във външната среда


- Микроорганизми подходящи за генетичниманипулации

- Микроорганизми усвояващи ефикасно С –източници

- Наличие на подходяща процедура за изолиране напродукти (екзо / ендо)

Съхранение на микробни култури

- Основни методи Изсушаване на микроорганизмите в среда или другитвърди субстанции

Съхранение при условия на лимитирано дишане иметаболизъм:1. посяване върху скосен агар2. дълбоко замразяване3. съхраняване на спори и клетки във вода

Вакумно-сублимационно сушене

Контрол и оценка на процеса на съхраняване


- Банково дело: микробни колекции


Осака, ЯпонияInstitute for FermentationIFO

Лондон, Великобритания

National Collection of Type CulturesNCTC

Париж, ФранцияCollection Nationale de Cultures de Microorganisms

CNCM

Париж, ФранцияCollection de Institut PasteurCIP

Брауншвайг, Германия

Deutsche Sammlung von MikroorganismenDSM

Бърно, ЧехияCzech Collection of MicroorganismsCCM

Москва, РусияВсероссийской Коллекции МикроорганизмовBKM

Барн, ХоландияCentraalbureau voor SchimmelculturesCBS

Вроцлав, ПолшаPolish Collection of MicroorganismsPCM

Роквил, САЩAmerican Type Culture CollectionATTC

МестоположениеНаименованиеАбревиатура


Подбор на най-подходящо физиологично състояние накултурата за инокулиране (възраст и количество);

Подбор на подходяща хранителна среда за култивиранена инокулума и режим на стерилизация;

Оптимизиране на процеса за култивиране и образуванена продукти;

Подбор на подходяща система за култивиране иподходяща апаратура;

Режим на стерилизация и автоматично регулиране напроцеса;

Подбор на подходяща техника за изолиране на продуктии пречистване;

Оползотворяване на отпадъчните продукти.

3. Оценка на ефективността на отделните компоненти напроцеса и връзка с неговата продуктивност

Увеличаване на продуктивността чрез използване на по-евтини щамове продуценти → вероятност за акумулиране нанежелани вторични метаболити;

Използването на богати среди усложнява отделянето наотпадъци и тяхното третиране;

Интензивната аерация и разбъркване води до повишаванена продуктообразуването;

Интензивната аерация има и обратно въздействие върхупроцеса чрез повишаване на пенообразуването, нежеланонарастване на консумацията на енергия.

Подготовка на посевния материал (инокулат)

Инокулум:основа на успешен индустриален микробиологичен процес.

да съдържа достатъчен брой активни клетки, лаг-фазатана културата да бъде минимална.

да има определен (дефиниран) обем, съответстващ наработния обем на ферментора (5÷10%);

да съдържа микроорганизми в подходяща морфологичнаформа;

да бъде чиста култура, без контаминация с другимикроорганизми и фаги;

Oсновни критерии, на които трябва да отговаряпосевния материал:

микроорганизмите да притежават висока активност запродукция на целеви продукти;

микроорганизмите да са култивирани на подходящасреда, съобразена с тази от продуктивната фаза –резултат – съкращаване на времето за лаг-фаза накултурата;

да се състави подходяща схема за мащабиране наинокулума – броя на стъпалата създава риск отконтаминация и дегенериране на щама;

да се провежда стриктен микробиологичен, биохимичен и генетичен контрол.

Oсновни критерии, на които трябва да отговаряпосевния материал:

Основна процедура за редуциране броя настъпалата

посявка на основната култура на твърдахранителна среда;

отбор на най-малко 10 морфологично типичниколонии и посявка на полегат агар - получаване насубкултура за начало на производствен процес;

проверка на субкултурите по отношение напродуктивността на целевия продукт чрезкултивиране на колби или лабораторни биореакторина клатачен апарат;

бърз контрол за чистота на културата на всякафаза – получаване на информация кога е настъпилаконтаминация; подготвяне на замразени субкултурина малки порции и съхраняване в продължение наняколко месеца (преимущество – хомогененматериал).

Инокулум за процеси с бактериални култури

а) при висок процент на спори в инокулума се удължававреметраенето на последващите фази;

б) хомогенност на инокулума се гарантира от дефиниранброй на генерациите;

в) вида на хранителната среда за получаване на инокулумазависи от целевия продукт.

г) обем на инокулума – метода на “crossing”-пренасяне на20÷60% от култура от продуктивна фаза в друг биореактор.

Подбор на условия за подготовка на инокулум отспорулиращи или неспорулиращи бактерии.

Инокулум за ферментационни процеси с гъби

а) безполови спори: основни техники за подготовка наспори с висока концентрация:

•спорулация на твърда среда;•спорулация на твърди субстрати;•повърхностна спорулация на течни среди;•спорулиране в дълбочинни култури.

Инкубация:6-7 дни при 25˚С. Проследява се цикълът наспорообразуване и чистота на културата.

Фактори влияещи върху спорообразуването:количеството вода, влажността на въздуха, аерацията, температурата, повърхността , азотна лимитация придълбочинни култури

Подбор на подходящо за процеса морфологично състояниена културата – вегетативни клетки или споров материал

б) вегетативен материал: получаване на голямоколичество мицел и фрагментирането му в хомогенизаторза получаване на голям брой пропагули.в) влияние на морфологията на посевния материалвърху образуването на продукт.


Влияние на концентрацията на спорите и състава нахранителната среда върху морфологията на Penicilliumchrysogenum в дълбочинна култура (табл.1).

пелетипод 2х105Амониев лактат

филаментинад 2х105Глюкоза+Лактоза+

пелетипод 3х105

филаментинад 3х105Чапек - Докс

пелетипод 10х105

филаментинад 10х105Разтворимо нишесте

МорфологияКонцентрация наспори в средата(l-1)

Хранителна среда

Влияние на морфологичното състояние на мицелавърху индустриални микробни процеси осъществени сгъби (табл.2).


филаментиFusariumБиомаса

пелетиAgaricus campestrisБиомаса

пелетиAspergillus nigerЛимонена киселина

филаментиPenicilliumchrysogenum

Пеницилин

Оптималнаморфологичнаформа

Микроорганизъм -продуцент

Процес заполучаване на:

Инокулум за култивиране на актиномицети

Спорулиращи среди – твърди след многократно промиванена агара. Течни среди за дълбочинни култури

Форма на инокулума: вегетативен (хомогенизира се);споров – разрушава се външнатаобвивка на спорите сдезинтегриране;

Концентрация на спорите (както при гъбите).

Полов статус на индустриално важните актиномицети: безполови спори

Хранителни среди

да отговарят на основния състав на микроорганизмоватаклетка;

да осигуряват достатъчно енергия за биосинтеза напродукт;

основен алгоритъм на състава на хранителна среда седава от уравнението:

Въглероденизточник

Азотенизточник

Допълнителнисубстрати

Биомаса Продукти СО2 Н2О Q

Основна характеристика

създаване на серия от хранителни среди с различнисубстрати и различни лимитиращи концентрации (C, N, O, P);

заместване на всеки изчерпан субстрат с друг, който не еизконсумиран;

използване на полимерна или комплексна форма насубстрата лимитиращ клетъчния растеж;

не се използват бързо асимилиращи се субстрати (глюкоза) или азотен източник (NH4), които могат да предизвикаткатаболитна репресия;

снабдяване с важни ко-фактори (метални йони) вподходяща концентрация;

буфериране на средата за създаване на подходящо рН.

Процедура за селекция на подходяща хранителна среда:

вискозни среди;среди с наличие на твърди частици;

наличие на минерални масла и др.

Значение на вида на хранителната среда за изборана подходящ съд култивиране:

0,1 – 0,20,01 – 0,50,02 – 0,2Желязо

--0,5Хлор

0,1 – 0,50,1 – 0,50,1 – 0,5Магнезий

0,1 – 1,40,1 – 0,30,01 – 1,0Калций

0,02 – 0,50,01 – 0,10,5 – 1,0Натрий

0,2 – 2,51 – 41,0 – 4,5Калий

0,1 – 0,50,01 – 0,240,2 – 1,0Сяра

0,4 – 4,50,8 – 2,62,0 – 3,0Фосфор

7 - 107,5 – 1112 – 15Азот

5 - 75 - 75 - 7Водород

40 - 6045 – 5050 - 53Въглерод

ГъбиДрождиБактерииЕлемент

Елементарен строеж на биомаса от бактерии, дрожди и гъби(% сухо тегло)

Регулация на синтеза на вторични метаболитиПонятието първичен и вторичен метаболизъм

вторичен метаболизъм – понятиевъведено от Bu Lock (1967) – химическисъединения със сложен състав, които сесинтезират по дълги взаимно-свързанибиосинтетични пътища и не се обменятактивно, т.е. те са крайни продукти

първични метаболити – продукти навзаимосвързана серия от катаболитни, амфиболитни и анаболитни реакции, катализирани от ензими, превръщащи субстратии интермедиати в основни клетъчни структурикато DNA, RNA, протеини, липиди, полизахариди;

Първичен и вторичен метаболизъм намикроорганизмите:

Биосинтеза на биологично-активни вещества

Характерни черти на вторичните метаболити

продукти на нормалния клетъчен метаболизъмхарактерни за ограничени таксономични групимикроорганизми в рамките на едно семейство;

в частни случаи едни и същи съединения се установяватв отдалечени родове, семейства и класове;

вторичните метаболити се синтезират по пътища –разклонения на първичния метаболизъм и включват малъкброй основни типове реакции;

ключови прекурсори за вторичните пътища играят роля впървични метаболитни процеси – общи регулаторнимеханизми.

Класификация на вторичните метаболити

1. Вторични метаболити, праизхождащи от компоненти назахарния метаболизъм.

Примери: стрептоза, итаконова киселина (цис аконтат), коева киселина, полиоли, полизахариди, полизахариднитоксини.

2. Вторични метаболити, произлизащи отаминокиселини:

а) алифатни аминокиселини – като прекурсори сеизползват аминокиселини от белтъчната синтеза;

Примери: аспергилови киселини (различни конбинации отлевцин, изолевцин, валин), β-лактамни антибиотици(цефалоспорини и пеницилини с прекурсори валин, цистеин, α-аминоадипинова киселина), гъбни токсини –фузариева и пулхериминова киселина.

б) ароматни аминокиселини: възникват по следнитеначини:

свързване на ароматна киселина с алифатна –рокфортин (триптофан + хистидин)

циклизация на две еднакви ароматниаминокиселини

аранотин (2 молекули фенилаланин)

шикиматен път за синтеза на ароматни

киселини:шикимова киселина→ нафтохинони –матрицин (гъби Fusarium), ксантоциклин(Aspergillus, Penicillium), кумаринови производни(Alternaria, Aspergillus)

O

H

Изопренови единици(С5Н8)

3. Вторични метаболити произлизащи от ацетат – най-многобройна група, разделяща се на две подгрупи:

а) терпеноидни (изопреноиди) – производна на ацетат-мевалонатния път

Броят на изопреновите единициварира между 1 и 24. Тезисъединения са терпени, стероиди, каротеноиди, убихинони. Групата еизключително голяма.

б) съединения получени по β-кетиден път – ацетат-полималонатен път

ацетил Ко-А + малонин КоА→ ацетоацетил КоА→съединения с ароматна или хинонова структура

Условия за биосинтеза на вторични метаболити отмикроорганизми

образуват се смеси от вторични метаболити;

синтезират се при ниски скорости на растеж (μ)

понятия трофо и идиофаза – идиолити;

условност на разделението на процеса на две фази.

а) регулиране чрез метаболити функциониращи катопрекурсори, индуктори, ефектори и регулаторни сигнали;

б) регулиране чрез фактори на външната среда (състав нахранителната среда – C, N, P, O, Me йони);

в) регулация на нивото на вторичните метаболитни пътищачрез feed back регулация и авторегулация. Автотоксичнисубстрати.

Регулация на биосинтезата на първични и вторичниметаболити – 3 нива:

Наличие на механизми на ензимна индукция – добавяне наефекторни молекули преди синтезата на вторичнияметаболит (т.е. през фазата на растеж)

Пример: стимулиращ ефект на триптофан върхубиосинтезата на ерголинови алкалоиди от род Clavieceps.

Механизъм: триптофан индуктор на диметиламил триптофан –синтаза

Пример: цефалоспорин С стимулира се от метионин

Механизъм: Метионин се добавя през трофофазата индуцират сеи морфологични промени – артроспори (фрагментиранена мицела)

Пример: Пеницилин стимулира се от валин (регулирабиосинтезата на валин – синтаза)

Влияние на първичните метаболити и междинни продуктивърху вторичния метаболизъм:

Регулиране на вторичния метаболизъм чрез катаболизъмвъглеродния източник:

а) катаболитна репресия - бързо утилизиране навъглеродния източник – репресира биосинтезата навторични метаболити (влияе върху μ)Пример: 1) глюкоза - репресира биосинтеза на актиномицин приStreptomyces antibioticus. (смес глюкоза + галактоза) 2) Цитрат - репресира синтеза на новобиоцин приStreptomuces niveus (смес цитрат + глюкоза).

б) катаболитно инхибиране – инхибиране на ензимниреакции – деградиране на ензимиПример: биосинтез на β-лактамни антибиотици (глюкоза + захароза) → захарозата стимулира биосинтезатаНиски концентрации на глюкоза → висок добив наантибиотик

Регулиране на вторичния метаболизъм от въглероден, азотен и фосфорен източник

Вторични метаболити, чиято продукция е репресиранаот глюкоза

Chromobacterium violaceumМалтозаВиолацинStreptomyces griseusМананСтрептомицинStreptomyces sioyaensisМалтозаСиомицинStreptomyces albonigerГлицеролПуромицинSerratia marcescensГалактозаПродигнозинPenicillium chrysogenumЛактозаПеницилинStreptomyces fradiaeМалтозаНеомицинStreptomyces kanamyceticusГалактозаКанамицинStreptomyces sp.ГлицеролХлорамфениколCephalosporium acremoniumЗахарозаЦефалоспоринBacillus licheniformisЦитратБацитрацинStreptomyces antibioticusГалактозаАктиномицин

МикроорганизъмВъглероден източникнепричиняващрепресия

Вторичен метаболит

бързо асимилиращи се N-източници – репресия наензими (уреаза, хистидиназа, протеаза, нитратредуктаза)

бавно асимилиращи се N-източници са подходящи забиосинтеза на вторични метаболити (соево брашно, фастъчено брашно при биосинтеза на антибиотици);

асимилация на аминокиселини

- бързо усвояващи се

- бавно усвояващи се

Регулиране на вторичния метаболизъм от катаболизма наазота

Инхибиране на неорганичен фосфат при антибиотици иерготови алкалоиди;

Примери:

хлортетрациклин – биосинтезата му започва следизконсумиране на фосфата (регулацията е на ниво АТФ);

кандицидин – добавка на фосфат води до увеличаване нанивото на АТФ;

ерготови алкалоиди – Claviceps purpurea – фосфатътинхибира каноклавин - циклазата;

стрептомицин – фосфатът инхибира фосфатазите, участващи в биосинтезата.

Регулиране на вторичния метаболизъм от фосфат:

Инхибиране на неорганичен фосфат при антибиотици иерготови алкалоиди;

Примери: хлортетрациклин – биосинтезата му започваслед изконсумиране на фосфата (регулацията е на нивоАТФ);кандицидин – добавка на фосфат води до увеличаване нанивото на АТФ; ерготови алкалоиди – Claviceps purpurea – фосфатътинхибира каноклавин - циклазата; стрептомицин – фосфатът инхибира фосфатазите, участващи в биосинтезата.

Регулиране на вторичния метаболизъм от фосфат:

Стимулиране на биосинтезата на антибиотици от субстанциис широко варираща структура и неизвестен механизъм надействие

Примери:

барбитурати – стимулират биосинтезата на рифамицин иантрациклин, добавени в началото на култивирането;

автоинхибиране – пеницилиновата биосинтеза от щам P. chrisogenuim се инхибира от концентрация на пеницилин2mg/ml.

Регулиране на биосинтезата на вторични метаболити отстимулатори, авторегулатори и автотоксични компоненти:

Лабораторни и пилотни процеси

Фази на развитие на микробиологичния процес

1. Лабораторен проект;2. Мащабиране на процеса в пилотни условия;3. Настройка и въвеждане в индустриален мащаб.

Лабораторен проект

Лабораторната изследователска и развойна дейноствключва следните задачи:

а) Разработка на процеса на култивиране напродуктивния щам върху твърда среда. Осигуряване настабилност на културата при препосяване въввегетативно състояние и спорова суспензия.

б) Уточняване и верифициране на подходящ състав наинокулума и средата за култивиране въз основа на: ценина суровини и материали и получени добиви.

в) Разработка на подходяща техника за лабораторнокултивиране на продуктивния щам: физични, химични ибиологични и екологични фактори и тяхнотооптимизиране.

Ефект на различни материали върху биосинтезатана стрептомицин

100Полиамидно покритие

45Гумено покритие

60Калаено покритие

15Медно покритие

0Цинково покритие

18Месингово покритие

28Неръждаема стомана

100Алуминиево покритие

100Стъкло

Продукция на стрептомицин, %Повърхностен слой

Пилотен процес

Потвърждаване на повторяемостта на резултатите отлабораторния мащаб

уточняване на стадиите за изработка на активенинокулум (Фиг. 2)

уточняване на параметрите аерация и разбъркване;

избор на пеногасители (повлияват силно дишането);

определяне на оптималното време за всяка растежнафаза в производствения биореактор (зависимост от вида набиосинтезирания продукт, асоцииран/неасоцииран срастежа)

Примери: пеницилин – биосинтезата започва 15-20ч слединокулирането; max продукт – 70-75hac

Пилотният процес включва оптимизиране на всичкипараметри на лабораторния с основни задачи

определяне на подходяща температура за фазата напродукция;

непрекъснат контрол на съдържанието на хранителниелементи в средата за култивиране и поддържане наоптимални концентрации;

поддържане на оптимално рН.

мониторинг на ферментационните процеси

•измерване на параметрите на култивиране;

•контрол на културата чрез микроскопски методи

Система за пренасяне на инокулума в биореактор

Подаванена пара

Стерилнозахранванес въздух

Съд заспори

Сепаратор

Посевенбиореактор

Инокулиране наработенбиореактор съсспорова суспензия

Сепаратор Сепаратор

Пара

Пара

Посевенбиореактор

Работенбиореактор

Инокулиране наработен биореакторсъс вегетативнакултура от посевенсъд

Система за пренасяне на инокулума в биореактор

scale down – връщане към лабораторен мащаб с целразрешаване на проблеми, възникнали при мащабиранетоа) използва се за определяне на последователността отгрешки;б) разрешаване на проблемите чрез симулиране на scale upситуации в лаборатория.

Scale up и scale down на промишлени процеси смикроорганизми

scale up – мащабиране на процеса от лабораторията къмпилотен завода) предпоставки: лабораторните резултати трябва да бъдатповторяеми (надеждни);б) проблеми, произтичащи от обема: аериране, разбъркване, стерилизация на хранителната среда, инокулиране, пянообразуване, конструкция на съдовете закултивиране.

Лабораторни и пилотни изследвания приразработка на микробиологичен процес –резултати:

1. Оформяне на резултати в специални издания

2. Изработване на патент: когато резултатитепредставляват икономически интерес и намиратприложение в индустрията

Съдържание на патенти:а) Продукти получени от специфична активност намикроорганизмите;б) методи за получаване на продукти биосинтезирани отмикроорганизми;в) процеси, които се основават на активността намикроорганизмите за други цели;г) методи за подобряване на размножаването наиндустриални микроорганизми;д) нови щамове за индустриални производства(депониране на щамове).

Процедури за патентоване: патентни офиси и времетраенена патентната процедура (описание и претенции). Продължителност на патента ( 60 години).

3. Изследователски отчети: главни части

а) Въведение;

б) Резултати и обсъждане

в) Заключение;

г) Предписание за пилотен проект: съдържание

Уточняване на съотношението на отделникомпоненти и сравнение с нови данни отлабораторни опити;

Изчисляване на количеството на суровините, междинните съединения и отпадните продукти заединица краен продукт;

Определяне на стъпалата в процеса, където можеда има корозия на съоръженията;

Физични константи на суровините, междиннитепродукти и всички отпадни вещества като: тегло, плътност, специфична топлина, вискозност, загуба натегло, или промяна на pH;

Анализ на отпадните продукти и газове, отделени повреме на ферментацията и предложение за тяхнотоизползване;

Анализ на възможностите за инфекции иликонтаминации;

Прост тест за предварителна оценка на суровините икрайните продукти;

Данни за токсичност и физиологичен ефект насуровините, продуктите и отпадъците;

Схематичен дизайн на апаратурата, детайлнадокументация и предложения за конструкции наматериала.

3. Изследователски отчети: главни части

4. Рискове свързани с промишлената микробиология

Предпоставки за риск:

Натрупване на отпадни материали в околната среда;

Разпространяване на нежелани микроорганизми воколната среда;

Разпространяване на микробни продукти.

Операции представляващи риск:

Култивиране на патогенни микроорганизми;

Продукция на фармацевтични вещества – антибиотици(резистентни щамове), хормони (метаболитни отклонения), ензими (алергии);

Токсични химикали за изолиране – органичниразтворители;

Генетично-манипулирани микроорганизми.

Лектор Катедра Св...

Documents