Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия
Пекарские и кормовые дрожжи
Белки и жиры из одноклеточных организмов
ВВЕДЕНИЕ. В мире существует недостаток белковой пищи из-за роста населения Земли. Развитие технологии ферментации и возможность использования отходов нефтяной промышленности для выращивания микроорганизмов в 1960-е гг. привели к разработкам крупномасштабного культивирования микроорганизмов в качестве источника белка для питания человека и животных (белок одноклеточных организмов – БОО). Технология получения жиров из одноклеточных организмов разрабатывалась в Германии во время Второй мировой войны, когда основные импортеры растительных жиров – Азия и Америка – прекратили свои поставки.
БЕЛКИ ИЗ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ: СЫРЬЕ И МИКРООРГАНИЗМЫ. Между 1965 и 1975 гг., когда цены на нефть были не столь велики, проекты по использованию нефтяных фракций в качестве источника углерода для роста дрожжей Candida tropicalis, C. bombicola и др. вызывали повышенный интерес. Полное окисление алканов и их β-окисление в цикле трикарбоновых кислот происходит в пероксисомах дрожжевых клеток. С 1972 г. действуют процессы ферментации метанола с помощью различных метилотрофных микроорганизмов: Hansenula polymorpha, Pichia pastoris, Candida boidinii, Methylophilus methylotrophus, Methylomonas clara.
Образующиеся в результате окисления метанола муравьиная кислота и формальдегид поступают в пентозофосфатный цикл.
ПЕРЕРАБОТКА АЛКАНОВ ДРОЖЖАМИ. Высококипящие фракции нефти малорастворимы в воде, а добавление эмульгаторов в среду ферментации нежелательно из-за усиления пенообразования и загрязнения конечного продукта. Таким образом, необходимо решить проблему перемешивания системы: интенсивная аэрация (16 моль-эквивалентов кислорода на 1 моль-эквивалент гексадекана, интенсивность пропускания воздуха – 10 объемов на объем ферментера в минуту) не должна приводить к избыточному пенообразованию. Первые крупные фабрики «Бритиш петролеум» в Сарроке (Сардиния) и Грэнджмаусе (Шотландия) были снабжены ферментерами с мешалками и пеноотделителями; ферментеры на этих производствах имели рабочие объемы 100 м3 и 40 м3 соответственно. При ферментации в непрерывном режиме за 5 сут. из 1 кг нефти было получено 0,9 кг клеточной массы дрожжей Candida tropicalis. По окончании ферментации клетки дрожжей отделяли в сепараторах. Токсический эффект от высокого содержания РНК (4%) уменьшают путем осторожного аутолиза. Дрожжи сушат в кипящем слое, получая твердый продукт в виде песчинок.
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАНОЛА ДРОЖЖАМИ.
Низкокипящий метанол (Ткип 45 °С) в концентрации более 100 мг/л токсичен даже для метилотрофных организмов. В сконструированных в Биллингеме (фирма ICI) ферментерах (8 × 60 м) метанол впрыскивают в реактор через 600 отверстий, в результате удается оптимизировать распределение метанола по объему биореактора, а также скорость его растворения в среде. Высокая эффективность аэрации достигается пропусканием реакционной смеси через трубку в виде петли. С помощью бактерии Methylophilus methylotrophus в непрерывном режиме за 2 сут. было получено 0,5 кг биомассы (PRUTEENTM) из 1 кг метанола. После ферментации клетки отделяют с помощью сепаратора. После удаления примесей РНК автолизом белковый продукт высушивают распылением (в кипящем слое) и получают готовый к продаже продукт.
ОБЩЕСТВЕННОЕ МНЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ. Перспектива использования продуктов переработки алканов в пищу вызвала активную критику изза опасности попадания в пищевые продукты канцерогенов полиароматической природы из нефти. Несмотря на клинические и токсикологические исследования, в 1974 г. было получено разрешение на использование продуктов переработки метанола в качестве кормовых добавок для скота. После повышения цен на нефть реализация этого проекта была приостановлена. Поступление на рынок метанол-пе- рерабатывающих дрожжей, предназначенных для производства кормовых добавок, почти не встретило возражений. Однако в связи с подорожанием метанола в странах ЕС для производства комбикормов предпочитают использовать сухое снятое молоко.
ЖИРЫ ИЗ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ получают из глюкозы с помощью дрожжей Rhodotorula glutinis или грибов Mortierella isabellina. Содержание жира превышает 60% сухого веса клетки. Состав триглицеринов значительно отличается от всех известных к настоящему времени растительных липидов, поэтому на рынке этот продукт не имеет себе равных.
110
Белок из одноклеточных организмов
Источник углерода |
Микроорганизм |
Проблемы |
Парафин |
Candida lipolytica, |
Сложности переработки (эмульсия), вкус, присутствие |
|
Candida tropicalis |
компонентов нефти, возражения общественности |
Метан |
Methylococcus capsulatus |
Высокий расход кислорода, сильно экзотермическая |
|
|
реакция (необходимо охлаждение), опасность взрыва |
Метанол |
Hansenula polymorpha, |
Высокое содержание РНК |
|
Pichia pastoris, |
|
|
Candida boidinii, |
|
|
Methylophilus methylotrophus |
|
Состав соевой муки и сухого молока по сравнению с белком из одноклеточных организмов
Белковый |
Сырой белок |
Аминокислоты |
Жиры |
Нуклеиновые |
Соли, вода |
продукт |
|
|
|
кислоты |
|
|
|
|
|
|
|
TOPRINA |
60 |
54 |
9 |
5 |
10 |
PRUTEEN |
83 |
65 |
7,4 |
15 |
10 |
Соевая мука |
45 |
40 |
2 |
– |
18 |
Сухое молоко |
34 |
– |
1 |
– |
13 |
Выход белков из одноклеточных организмов (пилотные и промышленные установки)
Микроорганизм |
Источник углерода, |
Ys* |
Продуктивность, |
|
обмен веществ |
|
кг/(м3 час) |
Candida lipolytica (TOPRINA) |
Алканы |
0,95 |
2 |
Methylophilus methylotrophus (PRUTEEN) |
Метанол, РМФ |
0,53 |
8–10 |
Candida utilis |
Этанол |
0,8 |
4,5 |
Saccharomyces cerevisiae (пекарские дрожжи) |
Меласса, ФДФ |
0,85 |
5,2 |
Paecilomyces variotii (PEKILO) |
Сульфитный щелок, ФДФ |
0,6 |
2,7 |
|
|
|
|
* г сухого вещества/г источника углерода |
РМФ: Рибулозомонофосфатный путь; ФДФ: Фруктозодифосфатный путь |
|||||
Производство белкового продукта PRUTEEN |
|
|
|
|||
|
Выход газа |
|
|
|
|
|
Биореактор |
|
|
|
Очистка |
|
|
|
|
|
|
отработанного газа |
|
|
|
Коагуляция |
|
|
|
|
|
Воздух |
и флотация |
|
|
|
|
|
|
|
Смеситель |
Су- |
|
Охлаждение |
|
|
|
|
|
|||
Стерильный |
|
|
|
шил- |
|
продукта |
фильтр |
|
|
Сепаратор |
ка |
|
|
Комп- |
|
|
|
|
|
PRUTEEN |
рессор |
|
|
|
|
Энергия |
|
Пар |
|
|
|
|
||
Стерилизатор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Воздух |
|
Метанол и соли |
Рециркуляция среды |
|
|
Воздух |
||
Производство PRUTEEN |
|
|
|
|
|
|
Сырье |
Эрлифтный |
Коагуляция и флотация |
Выделение |
83% сырого |
||
Метанол |
реактор |
|
30 мин при 64 °С, |
|
Сепараторы, |
белка, |
|
|
|
менее 1% |
|||
(впрыскивают через |
Рабочий объем |
содержание РНК |
|
высушивание |
||
|
нуклеиновых |
|||||
600 отверстий), |
3000 м3, высота |
уменьшается с 80 до 2 мг/г |
|
|||
NH3, соли |
60 м, вес 600 т |
|
|
|
кислот |
|
|
|
|
111 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
среда |
Аэробная очистка сточных вод |
|
|
||
окружающая |
ВВЕДЕНИЕ. Внедрение около 100 лет тому назад систе- |
|
|
||
|
мы очистки сточных вод (капельных фильтров и мето- |
|
|
дов с использованием активного ила) наряду с появле- |
|
|
нием канализации в значительной мере препятствовало |
|
|
распространению эпидемий и, следовательно, привело к |
|
|
увеличению средней продолжительности жизни челове- |
|
и |
ка. Сегодня в развитых странах сточные воды в основ- |
|
ном очищаются биологическими методами. В Германии |
||
Биотехнология |
||
в эксплуатацию введены около 10 000 очистных соору- |
||
|
||
|
жений, из которых подавляющее большинство (96%) |
|
|
используют активный ил. Промышленные предприятия, |
|
|
расположенные по берегам Рейна, потребляют, а затем |
|
|
очищают около 15 млрд м3 воды в год. Проблема очист- |
|
|
ки сточных вод особенно остро стоит в странах, имею- |
|
|
щих выход к морю: к сожалению, до сих пор определен- |
|
|
ное количество неочищенных стоков попадает в моря. |
|
|
В развивающихся странах, где индустриализация проис- |
|
|
ходит на фоне быстрого прироста населения, проблема |
|
|
очистки питьевой воды очень актуальна и требует приня- |
|
|
тия незамедлительных мер. |
|
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОЧНЫХ ВОД. Выделяют два вида |
|
|
сточных вод – бытовые и промышленные. Состав |
|
|
промышленых сточных вод определяется их происхож- |
|
|
дением, а бытовые сточные воды в значительной мере |
|
|
имеют постоянный состав. Наиболее распространенным |
|
|
критерием оценки степени загрязнения бытовых сточ- |
|
|
ных вод является показатель биохимического потребле- |
|
|
ния кислорода (БПК5), равный количеству растворенно- |
|
|
го кислорода, поглощаемого единицей объема сточных |
|
|
вод в течение 5 сут при температуре 20 °С. Среднее |
|
|
значение органического загрязнения бытовых сточных |
|
|
вод составляет около 60 г БПК5 в расчете на одного че- |
|
|
ловека в сутки. Одно из самых опасных последствий |
|
|
сброса сточных вод – уменьшение количества раство- |
|
|
ренного кислорода в тех водоемах, куда сбрасываются |
|
|
отходы: это приводит к гибели аэробных микроорганиз- |
|
|
мов и бурному развитию различных анаэробных орга- |
|
|
низмов, в том числе и патогенных. Показателем сниже- |
|
|
ния концентрации кислорода в водоеме, куда |
|
|
сбрасываются бытовые сточные воды, служит химиче- |
|
|
ское потребление кислорода (ХПК), отражающее кон- |
|
|
центрацию веществ, подверженных химическому окис- |
|
|
лению, и общее содержание углерода (ОСУ) в единице |
|
|
объема сточных вод. Часто промышленные и бытовые |
|
|
стоки очищаются совместно. |
|
|
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА. В основе очистки |
|
|
вод в биологическом реакторе с аэрацией лежит актив- |
|
|
ность микроорганизмов, водорослей и простейших, оби- |
|
|
тающих в активном иле. Состав популяций организмов |
|
|
для очистки бытовых стоков остается постоянным в те- |
|
|
чение продолжительного времени и может значительно |
|
|
изменяться при попадании в стоки промышленных отхо- |
|
112 |
дов. Наиболее точные данные о составе популяции мож- |
|
но сделать на основе анализа 16S-рРНК методом FISH. |
В настоящее время разрабатываются стартовые культуры, которые остаются жизнеспособными в составе смешанной культуры и эффективно осуществляют деградацию некоторых химических отходов.
КАПЕЛЬНЫЙ (ПЕРКОЛЯЦИОННЫЙ) БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР. После того как сточные воды освобождены от крупных частиц, они поступают в биологический капельный фильтр, в котором микроорганизмы распределены по поверхности рыхлого материала (например, окаменевшей лавы). В капельном фильтре кислород поступает к микроорганизмам в результате естественной диффузии (конвекции), и именно скорость этого процесса определяет эффективность деградации отходов. Скорость поступления сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы жидкость не препятствовала дыханию аэробных микроорганизмов. Как правило, сточные воды накапливаются в специальных резервуарах и подаются на фильтр путем разбрызгивания.
ОЧИСТКА С УЧАСТИЕМ АКТИВНОГО ИЛА. При создании современных очистных сооружений, как правило, используют аэробные реакторы – аэротенки. Снабжение микроорганизмов активного ила кислородом происходит при пропускании воздуха через реактор (барботирование воздуха). Активный ил обладает высокой адсорбционной способностью: частички, содержащие микроорганизмы, присоединяются к суспендированным в стоке твердым веществам и осуществляют их окисление, а затем частицы ила оседают на дно. По сравнению с капельным биологическим фильтром очистка с участием активного ила более эффективна (примерно в 5 раз) и может быть усовершенствована путем пропускания чистого кислорода вместо воздуха. Недостаток использования активного ила – большие площади очистных сооружений и, следовательно, ограниченные возможности регуляции процесса. В Германии принята трехступенчатая система очистки сточных вод, которая включает биологическую или химическую деградацию фосфатов, биологическую нитрификацию (превращение азотсодержащих органических соединений в аммиак, а затем в нитриты и нитраты) и денитрификацию (превращение нитрата в N2 и N2O).
БАШЕННЫЕ ОЧИСТИТЕЛИ. Крупные химические производства Bayer и Hoechst снабжены дополнительными системами очистки сточных вод – башенными очистителями. Это закрытые 30-метровые реакторы, в которых благодаря интенсивной аэрации и тщательно регулируемой скорости поступления стоков происходит эффективная очистка промышленных стоков. Такая очистка экономически выгодна. Кроме того, закрытые системы препятствуют распространению неприятного запаха, характерного для процесса очистки стоков. Для повышения эффективности деградации вредных веществ в систему добавляют бытовые сточные воды.
Состав сточных вод |
|
|
|
Башенное очистное сооружение |
||
Источник |
Содержание |
Примечания |
|
с активным илом (Bayer, Hoechst) |
||
|
|
|
6 |
|||
|
органических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
веществ, ед* |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бытовые сточные воды |
1 |
На одного жителя |
|
|
|
|
Пивоваренные |
150–350 |
На 1000 л пива |
|
|
|
|
предприятия |
|
|
|
|
|
|
Молочная |
25–70 |
На 1000 л молока |
2 |
|
2 |
|
промышленность |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(без производства сыра) |
|
|
|
3 |
|
|
Крахмальный завод |
500-900 |
На 1000 т кукурузы |
|
|
||
4 |
|
7 |
||||
Производство шерсти |
200–4500 |
На 1 т шерсти |
|
5 |
|
|
|
|
|
||||
Целлюлозно-бумажная |
200–900 |
На 1 т бумаги |
|
1 Отстойник |
|
5 Сточные воды |
промышленность |
|
|
|
|
||
|
|
|
2 Очищенная вода |
6 Отвод воздуха |
||
Сахарозавод |
1000–2000 |
На 1 т сахара |
|
|||
|
3 Избыточный ил |
7 Входные щели |
||||
|
|
|
|
|||
* Единица, соответствующая 60 г БПК5 в расчете на одного человека |
4 Сжатый воздух |
|
||||
Устройство биологического очистного сооружения |
|
|
|
|||
Механическая очистка |
|
Биологическая очистка |
|
|
||
Фильтрование |
|
|
Аэрационный |
Вторичный отстойник |
||
через решетки |
Первичный отстойник |
резервуар (аэротенк) |
|
|
||
|
|
|
|
|
Воздух |
|
|
|
|
|
Биогаз |
|
Химическая |
|
|
|
|
|
|
|
Осажденная |
|
|
Сапропель |
очистка |
||
|
|
|
||||
суспензия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отходы |
Очищенная вода |
|
Устройство капельного биологического фильтра |
|
|
|
|
||
|
Поступление загрязненных вод |
|
|
|
||
с помощью вращающегося разбрызгивателя |
|
|
||||
Рыхлый |
|
|
|
|
|
|
наполнитель |
|
|
|
|
Вторичный отстойник |
|
(например, |
|
|
|
|
||
вулканический |
|
|
|
|
|
|
шлак) |
|
|
|
|
|
|
Первичный |
|
|
|
В первичный |
|
|
отстойник |
Перекачивание насосом |
|
отстойник |
|
Очищенная вода |
|
Технические характеристики очистных систем |
|
|
|
|
||
|
Капельный фильтр |
Активный ил |
Башенный очиститель |
|
||
|
Высота, м |
2–4 |
3–6 |
30 |
|
|
|
Диаметр, м |
до 30 |
до 30 |
30 |
|
|
|
Рабочий объем, м3 |
~ 10 |
~ 100 |
15 000 |
|
|
|
Время пребывания сточной воды в реакторе, ч |
~ 4 |
6–10 |
14 |
|
|
|
Снижение БПК5, т/сут |
0,5 |
2 |
100 |
|
113 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
среда |
Анаэробная очистка сточных вод и переработка ила |
|
|
|
|
окружающая |
ВВЕДЕНИЕ. Активный ил, содержащий большое коли- |
полная переработка (более 90%) органических суб- |
|
||
|
чество биологических продуктов, подвергается очи- |
стратов в метан и СО2 при сравнительно небольшой |
|
стке в анаэробных условиях, а затем сжигается или |
эффективности образования биомассы. Ил после пе- |
|
используется в сельском хозяйстве. Сбраживание |
реработки захоранивается, сжигается или использу- |
|
сточных вод – важный процесс: в Германии в эксплу- |
ется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. |
|
атацию введены более 5000 метантенков (аппаратов |
Образующийся при анаэробной очистке ила метан |
и |
для анаэробной преработки ила) с общим рабочим |
применяется в качестве топлива для энергоснаб- |
объемом 1 млн м3. За год в этих аппаратах образует- |
жения очистных станций, для выработки тепла и |
|
Биотехнология |
ся 100 млн м3 биогаза. В реакторах с неподвижным |
электроэнергии. |
|
||
|
слоем также возможна анаэробная переработка |
АНАЭРОБНЫЙ РЕАКТОР С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ |
|
сточных вод: такой способ имеет очень важное |
ИЛА. Сточные воды, загрязненные органическими |
|
значение при очистке промышленных стоков, содер- |
соединениями, могут быть подвергнуты анаэробной |
|
жащих биологические загрязнения, в частности отхо- |
очистке без предварительной обработки в аэробных |
|
ды пищевой промышленности. В странах со средним |
условиях. В колонном реакторе бактерии эффектив- |
|
уровнем развития экономики анаэробная переработ- |
но прикрепляются к частицам ила силами химико- |
|
ка отходов – важный источник биогаза. |
биологического сродства или поверхностного натя- |
|
МИКРООРГАНИЗМЫ. В процессе метанообразования |
жения при добавлении ПАВ или совместно с |
|
при переработке ила принимают участие различные |
частицами ила сорбируются на носителях. В резуль- |
|
бактерии: 1) облигатные или факультативные анаэ- |
тате оседания частиц в нижней части реактора обра- |
|
робы (клостридии, стрептококки, энтеробактерии), |
зуется зона повышенной плотности. Загрязненные |
|
которые из крахмала, жиров и белков синтезируют |
воды поступают в реактор снизу вверх, а образую- |
|
органические кислоты, Н2 и СО2; 2) уксуснокислые |
щийся в процессе окисления биогаз обеспечивает |
|
бактерии, превращающие органические кислоты в |
перемешивание реакционной среды. В верхней части |
|
ацетат, Н2 и СО2; 3) метанообразующие микроорга- |
реактора расположен газоуловитель, в котором час- |
|
низмы, продуцирующие СО2 и метан из уксусной ки- |
тицы, сорбировавшиеся на поверхности пузырьков |
|
слоты. Метанообразующие микроорганизмы являют- |
газа отделяются, а затем вновь поступают в реакци- |
|
ся облигатными анаэробами и в большинстве своем |
онную смесь. Во многих случаях, например при обра- |
|
относятся к археям. |
ботке сточных вод сахарного, целлюлозно-бумажного |
|
ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА. Важнейшие характеристики |
и крахмального производств, в результате анаэроб- |
|
процесса анаэробной переработки ила – химическое |
ной обработки ХПК снижается на 95%. При этом про- |
|
потребление кислорода (ХПК) и интенсивность обра- |
цесс характеризуется интенсивным синтезом СО2. |
|
зования биогаза. ХПК – количество кислорода, необ- |
БИОГАЗ. По приблизительным оценкам, в Китае и |
|
ходимое для полного химического окисления пробы |
Индии в настоящее время введены в эксплуатацию |
|
(в данном случае ила) до Н2О и СО2. На практике для |
около 100 000 метантенков. В соответствии с зако- |
|
вычисления ХПК проводят окисление пробы с помо- |
нами о возобновляемых источниках установки, ис- |
|
щью бихромата. Уменьшение показателя ХПК опре- |
пользующие биогаз, появятся также в Германии. |
|
деляет степень минерализации пробы. Биогаз – это |
Сбраживание богатого крахмалом растительного |
|
продукт естественного анаэробного процесса, проис- |
сырья (например, кукурузы) позволит удовлетворить |
|
ходящего в Земле. Природный газ на две трети со- |
энергетическую потребность 3 млн домов. |
|
стоит из метана и на треть – из СО2. В нем также со- |
|
|
держатся небольшие количества H2, N2, H2S и |
|
|
других газов. Точный состав биогаза можно опреде- |
|
|
лить методом газовой хроматографии. |
|
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. По сравнению с |
|
|
аэробной очисткой сточных вод очистка в анаэроб- |
|
|
ных условиях происходит значительно медленнее |
|
|
(время пребывания ила в метантенке – более 20 сут. |
|
|
Смешанная культура микроорганизмов, необходимых |
|
|
для полноценной переработки ила, развивается в уз- |
|
|
ком диапазоне температур и значений рН, поэтому в |
|
|
течение всего длительного процесса необходим тща- |
|
|
тельный контроль этих параметров. Премущества |
|
114 |
процесса – отсутствие неприятного запаха, характер- |
|
ного для аэробной технологии, а также практически |
|
|