Промышленная микробиология

Промышленная микробиология — это отрасль биотехнологии , которая применяет микробные науки для создания промышленных продуктов в массовых количествах, часто с использованием фабрик по производству микробных клеток . Существует несколько способов манипулирования микроорганизмом с целью увеличения максимального выхода продукта. Внесение мутаций в организм может осуществляться путем введения в них мутагенов. Другой способ увеличения производства — амплификация генов, это делается с помощью плазмид и векторов. Плазмиды и/или векторы используются для включения нескольких копий определенного гена, что позволит производить больше ферментов, что в конечном итоге приводит к увеличению выхода продукта. ^[1] Манипулирование организмами с целью получения определенного продукта имеет множество применений в реальном мире, например, производство некоторых антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, растворителей, алкоголя и продуктов повседневного спроса. Микроорганизмы играют большую роль в отрасли, и их можно использовать разными способами. В медицине микробы можно использовать для создания антибиотиков для лечения инфекций. 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 можно использовать в сельском хозяйстве в качестве биопестицидов вместо использования опасных химикатов и/или инокулянтов для содействия распространению растений.

Медицинское применение

Медицинское применение промышленной микробиологии — получение новых препаратов, синтезируемых в конкретном организме, для медицинских целей. Производство антибиотиков необходимо для лечения многих бактериальных инфекций. Некоторые природные антибиотики и прекурсоры производятся посредством процесса, называемого ферментацией . Микроорганизмы растут в жидких средах, где размер популяции контролируется, чтобы получить наибольшее количество продукта. В этой среде питательные вещества, pH, температура и кислород контролируются также для того, чтобы максимизировать количество клеток и предотвратить их гибель до производства интересующего антибиотика. После того, как антибиотик произведен, его необходимо извлечь, чтобы получить доход.

Витамины также производятся в огромных количествах путем ферментации или биотрансформации . ^[2] Например, витамин B 2 (рибофлавин) производится обоими способами. Биотрансформация в основном используется для производства рибофлавина, а исходным материалом для этой реакции является глюкоза. Существует несколько штаммов микроорганизмов, которые были созданы для увеличения выхода рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, используемым для этой реакции, является Ashbya gossypii . Процесс ферментации — еще один распространенный способ производства рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, используемым для производства рибофлавина посредством ферментации, является Eremothecium ashbyii . После образования рибофлавина его необходимо извлечь из бульона путем нагревания клеток в течение определенного времени, а затем клетки можно отфильтровать из раствора. Позже рибофлавин очищают и выпускают в качестве конечного продукта. ^[3]

Микробная биотрансформация может быть использована для производства стероидных препаратов. Стероиды можно принимать перорально или в виде инъекций. Стероиды играют большую роль в борьбе с артритом. Кортизон – противовоспалительный препарат, который борется с артритом, а также с рядом кожных заболеваний. ^{[ нужна ссылка ]} Другой используемый стероид — тестостерон, который был получен из дегидроэпиандростерона с использованием видов Corynebacterium. ^[4].

Применение в пищевой промышленности

Ферментация

Брожение — это реакция, при которой сахар может превращаться в газ, спирты или кислоты. Ферментация происходит анаэробно, что означает, что микроорганизмы, прошедшие ферментацию, могут функционировать без присутствия кислорода. Дрожжи и бактерии обычно используются для массового производства множества продуктов. Питьевой алкоголь – это продукт, который вырабатывается дрожжами и бактериями. Алкоголь, который можно употреблять, также известен как этанол, и этанол используется в автомобилях в качестве источника топлива. Питьевой алкоголь производится из натуральных сахаров, таких как глюкоза. Углекислый газ образуется в качестве побочного продукта в этой реакции и может использоваться для приготовления хлеба, а также для газирования напитков.Ферментационное вино:Алкогольные напитки, такие как пиво и вино, ферментируются микроорганизмами в отсутствие кислорода. ^{[ нужна ссылка ]}

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 окружающей среде, прежде чем он станет токсичным, поэтому можно получить разные уровни алкоголя в пиве и вине, просто выбрав другой микробный штамм.Большинство дрожжей могут переносить 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 производился как способ сохранить питательные вещества, полученные из молока, путем ферментации, что продлевало срок хранения продукта. Микробы используются для преобразования лактозы в молочную кислоту посредством ферментации. Бактерии, используемые для такой ферментации, обычно принадлежат к семействам лактококков , лактобацилл или стрептококков .Иногда эти микробы добавляются до или после этапа подкисления, необходимого для производства сыра. Кроме того, эти микробы ответственны за разные вкусы сыра, поскольку у них есть ферменты, которые расщепляют молочный сахар и жиры на несколько строительных блоков.Некоторые другие микробы, такие как плесень, могут быть намеренно занесены во время или до выдержки сыра, чтобы придать ему другой вкус. ^{[ нужна ссылка ]}

Производство йогурта начинается с пастеризации молока, при которой количество нежелательных микробов уменьшается или уничтожается. После пастеризации молоко готово к обработке с целью уменьшения содержания жира и жидкости, поэтому в основном остаются твердые вещества. Это можно сделать, высушив молоко, чтобы жидкость испарилась, или добавив концентрированное молоко. Увеличение содержания сухих веществ в молоке также увеличивает его пищевую ценность, поскольку питательные вещества становятся более концентрированными.После завершения этого этапа молоко готово к ферментации, при которой молоко заражается бактериями в гигиенических контейнерах из нержавеющей стали, а затем тщательно контролируется на предмет производства молочной кислоты, температуры и pH. ^{[ нужна ссылка ]}

Ферменты могут быть получены путем ферментации либо методом погруженной ферментации, либо методом твердофазной ферментации. ^[5] Под погруженной ферментацией понимают процесс, 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 по объему. Твердофазная ферментация менее распространена, чем глубинная ферментация, но имеет много преимуществ. Нет необходимости в стерильности окружающей среды, поскольку меньше воды, выше стабильность и концентрация конечного продукта. ^[5] Синтез инсулина осуществляется посредством процесса ферментации и использования рекомбинантной кишечной палочки или дрожжей для производства человеческого инсулина, также называемого хумулином .

Приложение для сельского хозяйства

Спрос на сельскохозяйственную продукцию постоянно увеличивается из-за потребности в различных удобрениях и пестицидах. Злоупотребление химическими удобрениями и пестицидами имеет долгосрочные последствия. Из-за чрезмерного использования химических удобрений и пестицидов почва становится бесплодной и непригодной для выращивания сельскохозяйственных культур. В этом случае на помощь приходят биоудобрения, биопестициды и органическое земледелие.

Биопестицид – это пестицид, полученный из живого организма или веществ природного происхождения. Биохимические пестициды также могут быть произведены из встречающихся в природе веществ, которые могут контролировать популяции вредителей в нетоксичных веществах. ^[6] Примером биохимических пестицидов являются инсектициды на основе чеснока и перца. Они действуют, отпугивая насекомых из нужного места. Микробные пестициды, обычно вирусные, бактериальные или грибковые, 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 насекомое или вредителя перестать питаться сельскохозяйственными культурами или растениями, поскольку эндотоксин разрушает слизистую оболочку пищеварительной системы.

Химическое применение

Синтез аминокислот и органических растворителей также можно производить с использованием микробов. Синтез незаменимых аминокислот, таких как L-метионин, L-лизин, L-триптофан и заменимая аминокислота L-глутаминовая кислота, сегодня используется в основном в кормовой, пищевой и фармацевтической промышленности. Производство этих аминокислот происходит за счет Corynebacterium glutamicum и ферментации. C.glutamicum был разработан для производства L-лизина и L-глутаминовой кислоты в больших количествах. ^[7] L-глутаминовая кислота пользовалась большим спросом в производстве, поскольку эта аминокислота используется для производства глутамата натрия (MSG), пищевого ароматизатора. В 2012 году общий объем производства L-глутаминовой кислоты составил 2,2 миллиона тонн, и она производится с использованием метода глубинной ферментации с прививкой C.glutamicum. L-лизин первоначально производился из диаминопимелиновой кислоты (DAP) E.coli , но однажды был открыт C.glutamicum для производства L-глутаминовой кислоты. ^[7] Позже этот организм и другие автотрофы были 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, а иногда и для лечения вирусных инфекций. L-триптофан также производится путем ферментации коринебактериями и кишечной палочкой, хотя его производство не такое большое, 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 продуктов, которые стали производить с использованием бактерий, поскольку достижение необходимой хиральности продуктов легко достигается с помощью живых систем. ^[8] В растворяющей ферментации используется ряд Clostridia видов бактерий . Сольвентное брожение поначалу было не столь продуктивным, как оно применяется 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, чтобы добиться более высокого выхода этих растворителей. Эти штаммы клостридий были трансформированы, чтобы иметь дополнительные копии генов ферментов, необходимых для производства растворителей, а также быть более толерантными к более высоким концентрациям производимого растворителя, поскольку у этих бактерий есть ряд продуктов, в которых они могут выжить до того, как окружающая среда станет токсичный. ^[9] Получение большего количества штаммов, способных использовать другие субстраты, также было еще одним способом повысить продуктивность этих бактерий. ^[9]

Ссылки

^ «Промышленное производство антибиотиков [в разделе: Микробиологические продукты в индустрии здравоохранения]». Микробиология . LibreTexts: курирование и доработка предоставлены Boundless.com. Январь 2021. с. 17.2А. ID книги (страницы): 8622; CC BY-NC-SA 3.0 {{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
^ Вандам, Эрик Дж. (24 апреля 2007 г.). «Производство витаминов, коферментов и родственных биохимических веществ биотехнологическими процессами». Журнал химической технологии и биотехнологии . 53 (4): 313–327. дои : 10.1002/jctb.280530402 . ПМИД 1368195 .
^ «Микробное производство витаминов: обзор» . Беседа по биологии . 21 сентября 2015 г. Проверено 23 февраля 2017 г.
^ «Виды коринебактерий | Руководство Джона Хопкинса ABX» . www.hopkinsguides.com . Проверено 11 ноября 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Сингхания, Рита Рани; Патель, Анил Кумар; Панди, Ашок (2010). «Промышленное производство ферментов» . Промышленная биотехнология . стр. 207–225. дои : 10.1002/9783527630233.ch5 . ISBN 978-3-527-63023-3 .
^ Jump up to: ^а ^б EPA, OCSPP, OPP, США (31 августа 2015 г.). «Что такое биопестициды?» . www.epa.gov . Проверено 12 марта 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Махмуд, Зафар Алам (2018). «Микробное производство аминокислот» . В Харзевили – Фаршад Дарвиши; Чен, Хунчжан (ред.). Микробная биотехнология: прогресс и тенденции . ЦРК Пресс. стр. 187–212. дои : 10.13140/2.1.2822.2245 . ISBN 978-1-4822-4521-9 .
^ Чен, Цзянн-Шин; Зидвик, Мэри Джо; Роджерс, Палмер (2013). «Производство органических кислот и растворителей: бутанол, ацетон и изопропанол; производство 1,3- и 1,2-пропандиола; и производство 2,3-бутандиола» . Прокариоты . стр. 77–134. дои : 10.1007/978-3-642-31331-8_386 . ISBN 978-3-642-31330-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Вудс, ДР (июль 1995 г.). «Генная инженерия производства микробных растворителей». Тенденции в биотехнологии . 13 (7): 259–264. дои : 10.1016/S0167-7799(00)88960-X . PMID 7646848 .

[1] «Промышленное производство антибиотиков [в разделе: Микробиологические продукты в индустрии здравоохранения]». Микробиология . LibreTexts: курирование и доработка предоставлены Boundless.com. Январь 2021. с. 17.2А. ID книги (страницы): 8622; CC BY-NC-SA 3.0 {{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )

[2] Вандам, Эрик Дж. (24 апреля 2007 г.). «Производство витаминов, коферментов и родственных биохимических веществ биотехнологическими процессами». Журнал химической технологии и биотехнологии . 53 (4): 313–327. дои : 10.1002/jctb.280530402 . ПМИД 1368195 .

[3] «Микробное производство витаминов: обзор» . Беседа по биологии . 21 сентября 2015 г. Проверено 23 февраля 2017 г.

[4] «Виды коринебактерий | Руководство Джона Хопкинса ABX» . www.hopkinsguides.com . Проверено 11 ноября 2019 г.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Сингхания, Рита Рани; Патель, Анил Кумар; Панди, Ашок (2010). «Промышленное производство ферментов» . Промышленная биотехнология . стр. 207–225. дои : 10.1002/9783527630233.ch5 . ISBN 978-3-527-63023-3 .

[:4-6] Jump up to: ^а ^б EPA, OCSPP, OPP, США (31 августа 2015 г.). «Что такое биопестициды?» . www.epa.gov . Проверено 12 марта 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:5-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Махмуд, Зафар Алам (2018). «Микробное производство аминокислот» . В Харзевили – Фаршад Дарвиши; Чен, Хунчжан (ред.). Микробная биотехнология: прогресс и тенденции . ЦРК Пресс. стр. 187–212. дои : 10.13140/2.1.2822.2245 . ISBN 978-1-4822-4521-9 .

[8] Чен, Цзянн-Шин; Зидвик, Мэри Джо; Роджерс, Палмер (2013). «Производство органических кислот и растворителей: бутанол, ацетон и изопропанол; производство 1,3- и 1,2-пропандиола; и производство 2,3-бутандиола» . Прокариоты . стр. 77–134. дои : 10.1007/978-3-642-31331-8_386 . ISBN 978-3-642-31330-1 .

[:6-9] Jump up to: ^а ^б Вудс, ДР (июль 1995 г.). «Генная инженерия производства микробных растворителей». Тенденции в биотехнологии . 13 (7): 259–264. дои : 10.1016/S0167-7799(00)88960-X . PMID 7646848 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]