Промышленная микробиология - это отрасль биотехнологии, которая применяет микробиологические науки для создания промышленных продуктов в массовых количествах, часто с использованием фабрик микробных клеток . Есть несколько способов манипулировать микроорганизмами для увеличения максимального выхода продукта. Введение мутаций в организм может осуществляться путем введения их в мутагены. Другой способ увеличения продукции - амплификация генов, это достигается с помощью плазмид и векторов. Плазмиды и / или векторы используются для включения множества копий определенного гена, что позволит производить больше ферментов, что в конечном итоге приводит к большему выходу продукта. [1]Манипуляции с организмами для получения определенного продукта имеют множество применений в реальном мире, например, для производства некоторых антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, растворителей, алкоголя и продуктов повседневного потребления. Микроорганизмы играют большую роль в отрасли, и их можно использовать разными способами. С медицинской точки зрения микробы можно использовать для создания антибиотиков для лечения антибиотиками. Микробы также можно использовать в пищевой промышленности. Микробы очень полезны при создании некоторых продуктов массового производства, которые потребляются людьми. Химическая промышленность также использует микроорганизмы для синтеза аминокислот и органических растворителей. Микробы также могут использоваться в сельском хозяйстве в качестве биопестицидов вместо использования опасных химикатов и / или инокулянтов, способствующих распространению растений.
Медицинское приложение [ править ]
Медицинское приложение к промышленной микробиологии - это производство новых лекарств, синтезируемых в конкретном организме для медицинских целей. Производство антибиотиков необходимо для лечения многих бактериальных инфекций. Некоторые природные антибиотики и прекурсоры производятся в процессе ферментации . Микроорганизмы растут в жидкой среде, где размер популяции контролируется для получения наибольшего количества продукта. В этой среде также контролируются питательные вещества, pH, температура и кислород, чтобы максимально увеличить количество клеток и предотвратить их гибель до выработки интересующего антибиотика. Как только антибиотик произведен, его нужно извлечь, чтобы приносить доход.
Витамины также производятся в огромных количествах путем ферментации или биотрансформации . [2] Витамин B 2 (рибофлавин), например, производится обоими способами. Биотрансформация в основном используется для производства рибофлавина, а исходным материалом для этой реакции является глюкоза. Есть несколько штаммов микроорганизмов, которые были созданы для увеличения выхода производимого рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, вызывающим эту реакцию, является Ashbya gossypii . Процесс ферментации - еще один распространенный способ производства рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, используемым для производства рибофлавина путем ферментации, является Eremothecium ashbyii.. Как только рибофлавин произведен, его необходимо экстрагировать из бульона, это делается путем нагревания клеток в течение определенного времени, а затем клетки могут быть отфильтрованы из раствора. Позднее рибофлавин очищается и выпускается в виде конечного продукта. [3]
Микробная биотрансформация может использоваться для производства стероидных лекарств. Стероиды можно употреблять перорально или в виде инъекций. Стероиды играют большую роль в борьбе с артритом. Кортизон - противовоспалительный препарат, который борется с артритом, а также с некоторыми кожными заболеваниями. [ необходима цитата ] Другим используемым стероидом является тестостерон, который был произведен из дегидроэпиандростерона с использованием видов Corynebacterium [4] .
Приложение для пищевой промышленности [ править ]
Ферментация [ править ]
Ферментация - это реакция, при которой сахар может превращаться в газ, спирты или кислоты. Ферментация происходит анаэробно, что означает, что микроорганизмы, которые подвергаются ферментации, могут функционировать без присутствия кислорода. Дрожжи и бактерии обычно используются для массового производства нескольких продуктов. Употребление алкоголя - это продукт, вырабатываемый дрожжами и бактериями. Спирт, который можно употреблять, также известен как этанол, а этанол используется в автомобилях в качестве источника топлива. Алкоголь производится из натуральных сахаров, таких как глюкоза. Двуокись углерода образуется в качестве побочного продукта в этой реакции и может использоваться для приготовления хлеба, а также может использоваться для газирования напитков. Ферментация Вино: алкогольные напитки, такие как пиво и вино, ферментируются микроорганизмами в отсутствие кислорода.
В этом процессе, когда в среде становится достаточно спирта и углекислого газа, дрожжи начинают умирать из-за того, что окружающая среда становится для них токсичной. Существует множество штаммов дрожжей и бактерий, которые могут переносить разное количество алкоголя в своей среде, прежде чем он станет токсичным, поэтому можно получить разные уровни алкоголя в пиве и вине, просто выбрав другой штамм микробов. Большинство дрожжей переносят от 10 до 15 процентов алкоголя, но есть некоторые штаммы, которые могут переносить до 21 процента алкоголя. Молочные продукты, такие как сыр и йогурт, также можно производить путем ферментации с использованием микробов. Сыр был произведен как способ сохранить питательные вещества, полученные из молока, путем ферментации, что продлило срок хранения продукта.Микробы используются для преобразования сахаров лактозы в молочную кислоту путем ферментации. Бактерии, используемые для такого брожения, обычно происходят изСемейства лактококков , лактобацилл или стрептококков . Иногда эти микробы добавляются до или после стадии подкисления, необходимой для производства сыра. Кроме того, эти микробы ответственны за различный вкус сыра, поскольку в них есть ферменты, расщепляющие молочный сахар и жиры на несколько строительных блоков. Некоторые другие микробы, например плесень, могут быть намеренно занесены во время или перед старением сыра, чтобы придать ему другой вкус.
Производство йогурта начинается с пастеризации молока, при которой сокращаются или устраняются нежелательные микробы. Как только молоко пастеризовано, оно готово к переработке для уменьшения содержания жира и жидкости, поэтому остается в основном твердое содержимое. Это можно сделать, высушив молоко, чтобы жидкость испарилась, или добавив концентрированное молоко. Повышение твердости молока также увеличивает его питательную ценность, поскольку питательные вещества более концентрированы. После завершения этого этапа молоко готово к ферментации, где в молоко вносятся бактерии в гигиенических контейнерах из нержавеющей стали, а затем проводится тщательный мониторинг производства молочной кислоты, температуры и pH.
Ферменты могут быть получены путем ферментации либо путем ферментации под водой, либо путем ферментации в твердом состоянии. [5] Под погруженной ферментацией понимают, когда микроорганизмы контактируют со средой. В этом процессе важен контакт с кислородом. Биореакторы / ферментеры, которые используются для массового производства продукта, могут хранить до 500 кубических метров в объеме. Твердотельное брожение встречается реже, чем погруженное брожение, но имеет много преимуществ. Необходима меньшая стерильность окружающей среды, поскольку в ней меньше воды, выше стабильность и концентрация конечного продукта. [5] Синтез инсулина осуществляется в процессе ферментации и использования рекомбинантной кишечной палочки.или дрожжи для производства человеческого инсулина, также называемого хумулином .
Приложение для сельского хозяйства [ править ]
Спрос на сельскохозяйственную продукцию постоянно увеличивается из-за потребности в различных удобрениях и пестицидах. Чрезмерное использование химических удобрений и пестицидов имеет долгосрочные последствия. Из-за чрезмерного использования химических удобрений и пестицидов почва становится бесплодной и становится непригодной для выращивания сельскохозяйственных культур. В этом отношении на помощь приходят биоудобрения, биопестициды и органическое земледелие.
Биопестицид - это пестицид, полученный из живого организма или природных веществ. Биохимические пестициды также могут быть произведены из природных веществ, которые могут контролировать популяции вредителей в нетоксичных веществах. [6] Примером биохимических пестицидов являются инсектициды на основе чеснока и перца, которые действуют, отпугивая насекомых из желаемого места. Микробные пестициды, обычно вирусы, бактерии или грибки, используются для более специфической борьбы с популяциями вредителей. [6] Наиболее часто используемым микробом для производства микробных биопестицидов является Bacillus thuringiensis., также известный как Bt. Эта спорообразующая бактерия вырабатывает дельта-эндотоксины, которые заставляют насекомых или вредителей перестать питаться урожаем или растением, потому что эндотоксин разрушает слизистую оболочку пищеварительной системы.
Применение химикатов [ править ]
Синтез аминокислот и органических растворителей также можно производить с помощью микробов. Синтез незаменимых аминокислот, таких как L-метионин, L-лизин, L-триптофан и заменимая аминокислота L-глутаминовая кислота, сегодня используются в основном в кормовой, пищевой и фармацевтической промышленности. Производство этих аминокислот происходит за счет Corynebacterium glutamicum и ферментации. C.glutamicum был разработан, чтобы производить L-лизин и L-глутаминовую кислоту в больших количествах. [7] L-глутаминовая кислота имела высокий спрос на производство, потому что эта аминокислота используется для производства глутамата натрия.(MSG) пищевой ароматизатор. В 2012 году общее производство L-глутаминовой кислоты составило 2,2 миллиона тонн и производится с использованием техники глубокой ферментации с использованием C.glutamicum. Первоначально L-лизин производился из диаминопимелиновой кислоты (DAP) E.coli , но однажды был обнаружен C.glutamicum для производства L-глутаминовой кислоты. [7] Этот организм и другие автотрофы были позже модифицированы для получения других аминокислот, таких как лизин, аспартат, метионин, изолейцин и треонин. [7]L-лизин используется для кормления свиней и кур, а также для лечения дефицита питательных веществ, повышения энергии у пациента и иногда используется для лечения вирусных инфекций. L-триптофан также производится путем ферментации и с помощью коринебактерий и кишечной палочки, хотя производство не так велико, как остальных аминокислот, он все еще производится для фармацевтических целей, поскольку его можно преобразовать и использовать для производства нейротрансмиттеров. [7]
Производство органических растворителей, таких как ацетон, бутанол и изопропанол, путем ферментации было одним из первых способов производства с использованием бактерий, поскольку достижение необходимой хиральности продуктов легко достигается с помощью живых систем. [8] При ферментации в растворителе используется серия Clostridiaвиды бактерий. Ферментация с использованием растворителя сначала была не такой продуктивной, как сегодня. Количество бактерий, необходимое для получения продукта, было высоким, а фактический выход продукта был низким. Позже были обнаружены технологические достижения, которые позволили ученым генетически изменить эти штаммы для достижения более высокого выхода этих растворителей. Эти штаммы Clostridial были трансформированы, чтобы иметь дополнительные генные копии ферментов, необходимых для производства растворителей, а также быть более устойчивыми к более высоким концентрациям производимого растворителя, поскольку эти бактерии имеют ряд продуктов, в которых они могут выжить, прежде чем окружающая среда станет токсичен. [9] Получение большего количества штаммов, которые могут использовать другие субстраты, также было еще одним способом увеличения продуктивности этих бактерий. [9]
Ссылки [ править ]
- ^ «Промышленное производство антибиотиков [в разделе - Микробиологические продукты в индустрии здравоохранения]». Микробиология . LibreTexts: курирование и доработка предоставлены Boundless.com. Январь 2021 г. с. 17.2А. ID книги (страницы): 8622; CC BY-NC-SA 3.0CS1 maint: postscript ( ссылка )
- ^ Vandamme, EJ (1992-01-01). «Производство витаминов, коферментов и родственных биохимических веществ с помощью биотехнологических процессов». Журнал химической технологии и биотехнологии (Оксфорд, Оксфордшир: 1986) . 53 (4): 313–327. DOI : 10.1002 / jctb.280530402 . ISSN 0268-2575 . PMID 1368195 .
- ^ «Микробное производство витаминов: обзор» . Обсуждение биологии . 2015-09-21 . Проверено 23 февраля 2017 .
- ^ "Виды Corynebacterium | Руководство Johns Hopkins ABX" . www.hopkinsguides.com . Проверено 11 ноября 2019 .
- ^ а б Сингхания, Рита Рани; Патель, Анил Кумар; Панди, Ашок (01.01.2010). Soetaert, Wim; Вандамм, Эрик Дж. (Ред.). Промышленная биотехнология . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. стр. 207 -225. DOI : 10.1002 / 9783527630233.ch5 . ISBN 9783527630233.
- ^ a b EPA, OCSPP, OPP, США. "Что такое биопестициды?" . www.epa.gov . Проверено 12 марта 2017 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- ^ а б в г Зафар, Алам; Махмуд, Махмуд (2015). «Производство микробных аминокислот (доступна загрузка PDF-файла)» . ResearchGate . DOI : 10.13140 / 2.1.2822.2245 .
- ^ Чен, Цзянь-Шин; Зидвик, Мэри Джо; Роджерс *, Палмер (1 января 2013 г.). Розенберг, Евгений; Делонг, Эдвард Ф .; Лори, Стивен; Стакебрандт, Эрко; Томпсон, Фабиано (ред.). Прокариоты . Springer Berlin Heidelberg. стр. 77 -134. DOI : 10.1007 / 978-3-642-31331-8_386 . ISBN 9783642313301.
- ^ a b "Генная инженерия микробного производства растворителей - ScienceDirect" (PDF) . ac.els-cdn.com . Проверено 17 марта 2017 .
