Биоконверсия
Когда биоконверсия ( дайте вики. Βίος bíos » жизнь » и лат. Conversio «поворот», «обратный») относится к превращению, в основном, органических соединений ( биомассы ), используемых в энергии или материальных продуктах. Преобразование происходит через организмы , в основном через микроорганизмы , или через изолированные ферменты или ферментные системы ( метаболические пути ). Прежде всего, биотехнологические процессы, такие как ферментация ( производство биогаза , промышленная биотехнология ) иприменена ферментативная конверсия. Биоконверсия также имеет место в приложениях, которые нельзя или нельзя однозначно отнести к биотехнологии, например: Б. при выпечке хлеба или приготовлении квашеной капусты ( брожение этанола и молочной кислоты ).
Иногда термин биоконверсия используется как синоним биокатализа и биотрансформации . Однако в некоторых случаях проводится различие в том, что биоконверсия классифицируется как подобласть биокатализа.
Содержание
биохимия
Во время биоконверсии происходит химическая реакция, которая катализируется изолированными ферментами или ферментами, присутствующими в используемых организмах . Можно классифицировать разные виды биоконверсии, которые различаются по принципу, по которому образуется интересующий продукт.
Метаболические отходы
Первые применения биоконверсии человеком произошли тысячи лет назад. Таким образом, ферментация этанола для производства пива и вина и ферментация молочной кислоты z. Б. используется для консервирования молока путем подкисления ( простокваша , кефир ). В этих приложениях используются микроорганизмы ( дрожжи , бактерии ), которые превращают органические соединения (в основном сахар ) в основном для обеспечения энергии ( катаболизм ). Поскольку это преобразование происходит в анаэробных (бескислородных) условиях или анаэробными организмами, не происходит полного преобразования органических соединений (особенно в CO 2 и H 2 O), а в органические соединения, такие как этанол (спирт) и молочная кислота .
Не только в пищевой промышленности, но и в материальных и энергетических целях, таких как B. в качестве сырья для производства пластмасс на биологической основе (например, полилактида из молочной кислоты) или биотоплива (например, так называемого биоэтанола в качестве заменителя или смеси с бензином) происходит биоконверсия так называемого возобновляемого сырья .
По такому принципу получают и многие другие продукты:
Метаболические продукты
Из органических соединений или некоторых неорганических соединений гетеротрофные или автотрофные существа могут синтезировать соединения, которые служат строительными материалами для клетки ( анаболизм ). Этот синтез представляет собой форму биоконверсии, которая используется для различных целей. Примеры — производство таких антибиотиков . B. пенициллин с грибком Penicillium chrysogenum , лизин и глутаминовая кислота ( аминокислоты ) с бактерией Corynebacterium glutamicum или пептидный инсулин в бактерии Escherichia coli .
Синтез таких соединений, как пенициллин, требует больших затрат энергии, поэтому организмы производят их только в небольших количествах. Урожайность может быть значительно увеличена путем селекции и селекции, а также путем выбора определенных условий во время выращивания . Другие варианты включают изменение метаболических путей ( метаболическая инженерия ) или введение новых метаболических путей от других организмов с помощью генной инженерии . Например, человеческий ген был перенесен в бактерии для производства инсулина .
Производство обычно происходит в стерильных условиях в ферментере , поскольку примеси могут нарушить процесс. Кроме того, фармацевтические продукты, такие как инсулин, требуют высокой степени чистоты.
Метаболические показатели
Метаболические показатели живых существ можно использовать для z. Б. для разложения токсичных или пахучих соединений или веществ, загрязняющих сточные воды, например. B. Соединения азота для связывания. Это касается z. B. в загрязненных почвах, при очистке отработанного воздуха в биофильтрах или фиксации соединений азота и фосфора, растворенных в воде, во время очистки на очистных сооружениях .
Продукты изолированных ферментов
Изолированные ферменты и ферментные системы могут катализировать определенные реакции. Например, сычужный фермент — смесь различных ферментов — получают из желудков теленка и используют в производстве сыра . Различные ферменты также могут играть роль в производстве кожи . Среди прочего, в моющих средствах обнаружены ферменты, разлагающие жиры и белки ( липазы или протеазы ).
Классификация по области применения
В биотехнологии обычно существует классификация не по принципу биоконверсии, а по области применения. В белой биотехнологии , также известной как промышленная биотехнология, применяются все упомянутые принципы. Есть также красная биотехнология (медицинская биотехнология) и зеленая биотехнология ( биотехнология растений). Другие, пока менее четко определенные биотехнологии — это серые биотехнологии и синие биотехнологии . Иногда используются другие цвета (коричневый и желтый, полученные в результате биотехнологии), но четко не обозначены. Помимо биоконверсий, биотехнологии могут также включать другие приложения, в которых также имеют место химические реакции. Однако реакция или полученный продукт не находятся на переднем плане, например Б. в диагностических методах красной биотехнологии.
важность
Биоконверсия играет важную роль во многих технических процессах. Это позволяет создавать соединения, которые невозможно синтезировать другими методами. В химической промышленности химические процессы иногда преобразуются в биоконверсию (биохимические процессы), поскольку они часто требуют менее экстремальных условий и, таким образом, можно сэкономить энергию и химические вещества. Чтобы сделать возобновляемое сырье пригодным для использования, используются классические и новые процессы. В больших количествах этанол производится из сахара и крахмала.
Посредством новых процессов биоконверсии части биомассы, которые ранее не использовались в качестве топлива, такие как солома и древесина, содержащие лигноцеллюлозу , должны быть разработаны как целлюлоза-этанол или целлюлоза-бутанол . Другой подход — ферментация синтез-газа , при которой биомасса превращается в синтез-газ посредством газификации биомассы, а затем превращается в пригодные для использования спирты и другие химические вещества при ферментации. Поскольку целлюлоза составляет значительную часть биомассы, она предлагает большой, до сих пор почти не используемый потенциал для обеспечения энергией и сырьем.
Источник
3.3.3. Прямая биоконверсия растительного сырья микроорганизмами
Под прямой биоконверсией понимают аэробный или анаэробный процессы переработки растительного сырья с использованием микроорганизмов без предварительной его обработки химическими или биологическими методами.
Примерами способа прямой биоконверсии растительного сырья являются процессы твёрдофазного культивирования: выращивание микроорганизмов и высших грибов на растительном сырье с целью получения биологически активных веществ, а также компостирование растительных отходов, в том числе и с калифорнийскими червями, с целью получения органических удобрений. К способу прямой биоконверсии можно отнести процесс силосования растительного сырья, а также получение кормовых белковых добавок микробиологическим путём из зерносырья. В данном разделе представлены процессы выращивания микроорганизмов, базидиальных грибов на основе целлюлозо- и пентозансодержащего сырья, а также получение кормовых белковых добавок из зерносырья.
Прямая биоконверсия целлюлозо- ипентозансодержащегорастительного сырья микроорганизмами. Исследованы процессы прямой биоконверсии древесных и сельскохозяйственных отходов поверхностным и глубинным культивированием микроорганизмов, образующих ферментные системы, катализирующие расщепление целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и хорошо растущих на лигноцеллюлозных материалах с целью обогащения их белком. Способ применяют в производстве целлюлолитических ферментов с использованием микроскопических грибов Trichoderma viride (Tr. reesei 18б2/КК).
В последнее время во многих странах мира возрос интерес к проблеме получения белка пищевого и кормового назначения путём культивирования различных микроорганизмов на твёрдых питательных средах, чаще всего на целлюлозосодержащих промышленных и городских отходах. Этот интерес обусловлен тем, что процесс получения белка на твёрдом питательном субстрате должен быть более экономически выгодным по сравнению с получением кормовых дрожжей на растительных гидролизатах, так как исключает дорогостоящий процесс кислотного гидролиза и ферментативного гидролиза, требующего специального получения ферментов.
Так, были проведены исследования по обогащению хлопковой шелухи белком путём поверхностного выращивания микроскопического гриба Sporotrichum pulverulentum. Хлопковая шелуха содержит 3-4% белка, содержание белка повышалось до 13% [68].
В Индии созданы процессы превращения отхода сахарного тростника в белковый корм посредством культивирования целлюлолитических бактерий Сellulomonas sp. [68].
При изучении механизма ферментативной деструкции целлюлозы с помощью актиномимцетов Thermjmjnjspora fusca и микроскопического гриба Sporotrichum pulverulentum было показано, что субстраты, содержащие лигнин и целлюлозу высокой кристалличности, менее пригодны для утилизации и дают продукт с меньшим содержанием белка. Так, при выращивании актиномицетов на еловой древесине получен белок 14,4% (время выращивания 6 суток), в то время как на целлобиозе – 59,0%. При выращивании микроскопического гриба на порошкообразной целлюлозе с высокой кристалличностью содержание белка составило 6,0%, на древесных отходах после механического размола – 13,8%, на аморфной целлюлозе – 32%, а на целлобиозе – 40,2%.
При глубинном выращивании микроскопических грибов Бабицкой с сотрудниками [66,75] проверено около 100 культур микроскопических грибов при росте на нативной соломе и соломе, обработанной паром. Содержание белка в продукте было от 14 до 21%. Наилучшие результаты получены с грибом Trichoderma lignorium.
Авторами сделан вывод, что такие микроорганизмы, как бактерии, актиномицеты, дрожжи и плесневые грибы используют в основном для получения белка на довольно простых целлюлозосодержащих субстратах. При использовании в качестве субстрата древесины эти микроорганизмы существенно уступают высшим дереворазрушающим грибам.
Дереворазрушающие грибы часто встречаются в природе, насчитывают более 1,5 тысячи видов и делятся на две основные группы: возбудители бурой и белой гнили. Возбудители белой гнили способны глубоко разрушать лигнин, а грибы ? возбудители бурой гнили разрушают, прежде всего, целлюлозу и другие полисахариды. Разрушение целлюлозы и лигнина вызвано комплексом ферментов (до 20 различных ферментов), которые выделяют дереворазрушающие грибы (раздел 3.2). Несмотря на обилие и разнообразие ферментов у грибов и их способность использовать составные элементы древесины, процессы разрушения в природных условиях идут очень медленно, достигая нескольких лет и более. Авторы считают, что главным фактором, ограничивающим скорость роста грибов, является недостаток азота в древесине. Кроме того, для питания грибов необходимо ещё элементы: сера, фосфор, калий, магний, железо, медь, цинк, марганец, молибден, кальций, галлий, бор, скандий, ванадий. В настоящее время научились выращивать дереворазрушающие грибы за более короткие сроки [69,76]. При поверхностном культивировании мицелия грибов (Schizophyllum commune, Coriolus pubescens, Coriolus hirsutus, Pleurotus ostreatus, Panus tigrinus) на осиновом опиле с минеральными добавками и оптимальной влажностью 65% в течение 5-21 суток растительно-грибной концентрат имел содержание белка 3,75-7,0%; при выращивании на кукурузной кочерыжке в течение 8-11 суток содержание протеина в продукте составило 5,1-8,1% [69].
Выращивание плодовых тел грибов на древесине, отходах бумажного и сахарного производства в некоторых странах известно давно.
В России повсеместно выращивают вешенку на соломе, освоено производство шампиньонов на компостах, включающих солому [78]. С целью интенсификации производства грибов развивается технология подготовки субстрата с использованием ферментов. Организовано производство мицелия этих грибов в Москве ? «Заречье», в Саратове ? частная фирма «Сантана», в Новочеркасске ? «Сатурн», в Кирове ? «Ягодное» [78,79].
Мицелий базидиальных грибов является переспективным продуцентом белка. Его выращивают поверхностным и глубинным способом. Для поверхностного способа выращивания используют крахмалсодержащее сырьё ? зерно. А на целлюлозо- и пентозансодержащем сырье его выращивают глубинным способом. Мицелий грибов имеет белок 36,7-44,8% . В состав белка входят все незаменимые аминокислоты, а по количеству серосодержащих аминокислот белок грибов превосходит бактериальные и дрожжевые белки. Так, в мицелии гриба Oxyphorus populinus было идентифицировано 16 аминокислот: аспарагиновая, глютаминовая, серин, глицин, треонин, аланин, валин, пролин, лейцин, ?-фенилаланин, метионин, тирозин, лизин, гистидин, аргинин, триптофан. Мицелий дереворазрушающих грибов содержит в незначительном количестве нуклеиновые кислоты. Усвояемость азотистых веществ дереворазрушающих грибов может достигать 80-90%. Кроме белковых веществ в состав мицелия грибов входят углеводы [глюкоза (13,8-18,0%), Д-манноза (1,0-5,7%), ксилоза (2,0-8,0%); Д-галактоза, арабиноза и рамноза отсутствуют], витамины группы В, эргостерин, стероидные соединения, являющиеся исходным материалом для синтеза некоторых гормональных препаратов.
При глубинном культивировании мицелия грибов (Schizophyllum commune, Coriolus pubescens, Coriolus hirsutus, Pleurotus ostreatus) в суспензии опила осины (3% воздушно-сухих опилок, смешанных с минеральной средой Norkans в соотношении 1:1, рН 5,0-5,5, t=26-28оС, в течение 7-15 суток) растительно-грибной концентрат имел содержание белка 5,0-7,4%.
Изучен химический состав образцов шести штаммов мицелия вешенки в зависимости от условий культивирования, фазы роста и состава питательной среды.
Выращенный в одинаковых условиях мицелий изученных штаммов имеет сходный общий состав: от 3 до 5% связанной воды, от 6 до 7 % водорода органических соединений, от 39 до 42 % углерода, от 6 до 9 % азота и от 4 до 6 % золы на абсолютно сухую биомассу (АСБ).
Наблюдаются общие для всех изученных штаммов вешенки закономерности в изменении содержания белка (общего и легкорастворимого) в зависимости от состава среды и фазы роста мицелия. Имеют место колебания от 12 до 50 % от АСБ. Содержание липидов в мицелии различных штаммов колеблется незначительно и составляет от 2,7 до 6% от АСБ. В составе свободных липидов обнаружены жирные кислоты с числом углеродных атомов от 8 до 20. Олеиновая кислота составляет до 56% от суммы жирных кислот. Среди насыщенных кислот преобладают стеариновая (до 24%) и пальмитиновая (до 16%). Наблюдаются определенные изменения в соотношении жирных кислот при различных условиях культивирования.
Мицелий вешенки обыкновенной, выращенный в глубинных условиях, содержит витамины группы В: тиамин – от 6 до 18; рибофлавин – от 30 до 40; ниацин – от 300 до 600, пиридоксин – от 0,4 до 1,6 и биотин – от 0,14 до 0,18 мкг/г АСБ в зависимости от штамма.
Плодовые тела высших грибов, растущих на целлюлозосодержащих субстратах, а также и их мицелий содержат вещества, обладающие лечебными свойствами. Так, сок плодовых тел шампиньонов является активным бактерицидным веществом. Известно, что при эпидемиях брюшного тифа люди, систематически питавшиеся шампиньонами, как правило, не заболевали этой болезнью. Уже более 10 лет тому назад из плодовых тел шампиньона был получен антибиотик агаридоксин, который обладает сильными бактерицидными свойствами.
Многие растущие на деревьях грибы содержат противоопухолевые активные вещества. Например, из чаги получают препарат для профилактики онкологических заболеваний.
На Западе сложилась отрасль фармацевтическая микология и сейчас там культивируют лекарственные грибы, как Lentinus edodes ? шиитаке, Ganoderma lucidum ? рейши, Grifola frondosa ? маи-таки и т.д. Из комбинаций мицелия этих грибов, выращенного глубинным способом, получают лекарственные препараты с широким спектром действия.
По последним данным полисахаридами из лисичек, которые назвали К-10, в Германии стали лечить заболевания печени. Уже получены первые статистические данные – хорошо поддаются лечению лисичками гемангиомы печени, жировое перерождение печени, гепатит С. Aнтигельминтный препарат «Лисички» – это вытяжка хиноманнозы, губительно действующей на гельминтов, их личинки и яйца.
В Японии производят полисахаридные препараты онкостатического действия: Крестин, выделяемый из Coriolus versicolor, Лентинан ? из шиитаки, Сонифилан ? из Schizophyllum commune и т.д.
Лекарственные препараты из плодовых тел грибов получают в Китае. В настоящее время в китайской медицине используют около 30 видов грибов.
В Белоруссии получают лекарственный препарат на основе культуральной жидкости шиитаке. На Украине производят 16 препаратов из грибов комплексного лечебного действия [78,79].
Таким образом, в настоящее время процесс прямой биоконверсии целлюлозо- и пентозансодержащего растительного сырья целесообразно использовать с целью получения пищевого белка путём поверхностного выращивания плодовых тел базидиальных грибов и глубинного выращивания их мицелия на прозрачных субстратах, атакже с целью получения лекарственных препаратов на их основе.
Источник