Микробиологическая технология

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра технологии пищевых продуктов и биотехнологий

Реферат

По дисциплине: Биотехнологии

Тема: Микробиологическая технология

Выполнил:

студентка 3 курса

Гайнуллина А.М.

Проверила  Найденко Е.В.

Иваново 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

История развития микробиологической технологии……………………...4

Основы микробиологической технологии…………………………………6

Получение продуктов брожения…………………………………………….8

 Заключение…..………………………………………………………………11

Использованная литература…………………………………………………12

Введение

         Как свидетельствуют аналитические прогнозы, одними из самых прогрессирующих технологий нового тысячелетия (которое у большинства людей ассоциируется прежде всего с компьютерами, сверхмощными двигателями, автоматикой и телемеханикой) будут биотехнологии. Одно из направлений этой бурно развивающейся науки – микробиологические технологии. В них главными машинами служат живые существа (бактерии, дрожжи, лучистые и плесневые грибы), имеющие такие маленькие размеры, что увидеть их невооруженным глазом невозможно. Вопреки устрашающей рекламе дезинфицирующих средств, микроорганизмы, кроме «отдельных» недостатков, имеют и множество заслуг перед человечеством. Как ни горько это осознавать, но именно микроорганизмы образуют фундамент всей грандиозной пирамиды жизни, вершину которой венчает человек разумный. Они жили на Земле уже несколько миллиардов лет до того, как какая-то продвинутая человекообразная обезьяна впервые выпрямилась и шагнула с помощью не двух, а только одной пары конечностей, освободив вторую пару для будущих великих дел. Люди живут в настоящем космосе микроорганизмов - невидимок, от которых без преувеличения зависит существование и благополучие человечества.

Микроорганизмы, хотя и мельчайшие, но, как и мы, - живые существа, и их жизнь подчиняется объективным биологическим законам. Чтобы заставить мир микробов - эту невидимую живую машину - служить человеческому обществу, необходимо изучить его жизнь и познать законы, которым он подчиняется.

Микробиологическая технология в результате разработки промышленных способов культивирования микробов позволило получать разнообразные  медицинские препараты, пищевые продукты (например, сахар, сироп, дрожжи) и химические вещества (такие как спирт, ацетон, уксусная кислота).

История развития микробиологической технологии

Люди используют микробиологические технологии уже несколько тысяч лет - пекут дрожжевой хлеб, производят спиртные напитки и кисломолочные продукты, занимаются пивоварением. До сих пор производство пива остается одной из самых распространенных и масштабных микробиологических технологий: во всем мире производится около 1011 л пива в год. Опытным путем, эмпирически, люди придумали способы хранения и переработки ряда продуктов с помощью ферментации (брожения) - производство сыра, уксуса, соевого соуса, простейших лекарств, переработку отходов. Но наши предки не имели представления о процессах, лежащих в основе этих технологий.

В конце XIX в. благодаря трудам Л. Пастера было установлено, что процессы брожения осуществляют микроорганизмы. Его исследования послужили основой для создания в конце XIX и начале XX века промышленного бродильного производства органических растворителей: ацетона, бутанола и изопропанола. Эти микробиологические технологии оказались неожиданным решением чрезвычайно острой проблемы, возникшей перед новыми отраслями химической промышленности - производством синтетического каучука, синтетических волокон, быстросохнущих лаков. Синтезировать эти вещества химическим путем долгое время не удавалось. Только в начале XX века появились микробиологические технологии получения некоторых органических кислот для пищевой промышленности и не только для пищевой. Так, в 20-е годы под руководством В.Н. Шапошникова был создан метод бактериального производства молочной кислоты, крайне необходимой для ослабленных и рахитичных детей.

В конце XIX века впервые была реализована микробиологическая технология, которая в настоящее время стала наиболее крупномасштабной в системе экологии окружающей среды - биологическая очистка сточных вод.

Важнейшим этапом в развитии микробиологических технологий, производящих ценные соединения, стала организация в конце 30-х - начале 40-х гг. XX века производства антибиотиков. Стимулом послужило открытие А. Флемингом хемотерапевтической активности пенициллина и его работы с X. Флори и Э. Чейном по совершенствованию препарата и способа его получения. В настоящее время производство антибиотиков занимает среди микробиологических технологий первое место по объему продукции (~ на 2 млрд. фунтов стерлингов в год).

Во второй половине XX века широкое распространение получило микробиологическое производство белка и аминокислот. В наибольших количествах - глютамата натрия (широко известного усилителя вкуса) и лизина, используемого в качестве пищевой добавки. В конце XX века основным поставщиком этой продукции на мировой рынок стали японские фирмы. С середины XX века с помощью микробиологических технологий получают витаминные препараты и ферменты для пищевой промышленности, медицины и сельского хозяйства. Микробиологические превращения стероидов используются в производстве кортизона, гидрокортизона и других глюкокортикостероидов, используемых для лечения заболеваний крови, при аддисоновой болезни, аллергических и аутоиммунных заболеваний, иммуносупрессий и пр., а также для производства половых гормонов, применяемых при гинекологических и андрологических заболеваниях и как пероральные противозачаточные средства.

Настоящий переворот - «экспансия микробиологических технологий» - наступил благодаря разработкам родившейся во второй половине XX века генной инженерии - конструированию микробиологической ДНК с встраиванием генов, кодирующих продукцию требующихся соединений. Таким путем был получен ряд ценных медицинских препаратов: интерферон, инсулин, гормон роста человека, вакцина против гепатита В.

Чрезвычайно многообразны микробиологические технологии, используемые для получения вакцин и сывороток в ветеринарии. Но в настоящее время микробиологические технологии предоставляют широкий спектр способов улучшения сельскохозяйственных культур, как по урожайности, так и по качеству. Есть надежда, что микробиологические технологии создадут новые экологически чистые и безопасные средства борьбы с болезнями и вредителями растений, альтернативные химическим гербицидам и пестицидам.

В перспективе XXI века - внедрение в производство микробиологических технологий, разработанных в конце XX века, причем как для традиционных областей - медицины, пищевой и химической промышленности, сельского хозяйства, энергетики, контроля за состоянием природной среды, так и для нетрадиционных - материаловедения, обогащения полезных ископаемых, машиностроения. Стремительное расширение сферы использования микробиологических технологий обусловлено не только тем, что микроорганизмы при невысоких температурах и атмосферном давлении осуществляют множество уникальных реакций, на которые не способны никакие другие живые существа, реакций, которые недоступны для химических методов, но и потому, что они привлекают своей экологической безопасностью.

Основы микробиологической технологии

Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование про­дуктов.

Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней синтезируется целевой продукт. По сути, клетка представляет собой миниатюр­ный химический завод, где ежеминутно синтезируются сотни сложнейших со­единений.

Основа современного биотехнологического производства - синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Клетки высших растений и животных еще не нашли широкого применения, ввиду их высокой требовательности к условиям  культивирования.

Начальным этапом биотехнологической разработки является получе­ние чистых культур клеток и тканей. Дальнейшие манипуляции с этими куль­турами характеризуется единообразием подходов, основанных на классических методах микробиологии. При этом культуры клеток и тканей высших растений и животных уподобляются культурам микроорганизмов.

Эукариоты и прокариоты. Большинство микроорганизмов - однокле­точные существа. Микробная клетка отделена от внешней среды клеточной стен­кой, а иногда лишь цитоплазматической мембраной и содержит различные суб­клеточные структуры. Существует два основных типа клеточного строения, кото­рые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это эукариотические и прокариотические клетки. Микроорганизмов, имеющих истинное яд­ро, называют эукариотами (эу - от греческого - истинный, карио - ядро). Микро­организмы с примитивным ядерным аппаратом относятся к прокариотам (до ядерным).

Выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест обитания микроорганизмов (почва, растительные остатки и т.д.). Применительно к углеводородокисляющим микроорганизмам таким местом может быть почва возле бензоколонок, винные дрожжи обильно встречаются на винограде, анаэробные целлюлозаразлагающие и метанобразующие микроорганизмы в больших количест­вах обитают в рубце жвачных животных.

Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода,
азота и т.д.). Для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроор­ганизмов - среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов - среды, содержащие белки или липиды.

Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные
колонии или клоны, при их пересеве получаются чистые культуры, состоящие из клеток одного вида про­дуцента.

  2.4. Определение способности синтезировать целевой продукт - главный критерий при отборе продуцентов. Микроорганизмы должны соответство­вать следующим требованиям:

1) обладать высокой скоростью роста;

2) использовать для жизнедеятельности дешевые субстраты;

3) быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие растения и животные. Так, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое Же количест­во белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Интерес пред­ставляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие энергию света, способные к усвоению атмосферного азота. Выгодны термофильные микроорга­низмы. Их использование снижает дополнительные затраты на стерилизацию промышленного оборудования. Скорость роста и обмен веществ у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Синтезирующие ими ферменты устой­чивы к нагреванию, действию кислот, органических растворителей.

Получение продуктов брожения

Важнейшими биохимическими процессами, вызываемыми микроорганизмами, являются различные виды брожения.

Спиртовое брожение используется в процессе производства спирта и глицерина, вина и пива, шампанского и коньяка. Большое значение оно имеет также в технологии хлебопечения.

В спиртовом производстве исходным сырьем для брожения служат крахмалсодержащие продукты — картофель, кукуруза, рожь, просо и другие, а также и отходы различных производств, например меласса. Широкое распространение получило производство спирта из непищевого сырья — из гидролизатов древесины, сульфитных щелоков, которые являются отходами целлюлозно-бумажной промышленности.

При переработке крахмалсодержащего сырья крахмал предварительно осахаривают при помощи минеральных кислот либо применяют солод.

В пивоварении основным сырьем является ячменный солод, к которому добавляют кукурузу, пшеницу, рис и другие продукты в зависимости от сорта вырабатываемого пива. Исходным материалом для производства виноградного вина служит виноградный сок, для производства плодово-ягодных вин — соки плодов и ягод.

В щелочной среде направление брожения резко меняется и вместо этилового спирта накапливается глицерин, а в качестве побочного продукта — ацетальдегид.

Глицерин широко применяют в различных отраслях промышленности— в кожевенной, текстильной, бумажной, химической, полиграфической, парфюмерной и пищевой. Используют глицерин также в медицине и фармацевтическом производстве.

Факторы внешней среды оказывают влияние на развитие дрожжей и брожение, в особенности высокая концентрация Сахаров, кислотность субстрата, температура, содержание спирта и др.

Большинство дрожжей способно сбраживать моносахариды и дисахарилы, первые — непосредственно, а вторые после их гидролиза на моносахара под действием соответствующих ферментов. Сбраживать крахмал дрожжи не способны из-за отсутствия в клетках амилазы.

Наиболее благоприятная концентрация сахара для большинства дрожжей 10—15%. При повышении ее брожение затрудняется и почти полностью прекращается при концентрации сахара 30—35%. С понижением концентрации сахара (ниже 10%) бродильная энергия уменьшается. Однако такие разбавленные сахаристые среды необходимы в производстве пекарских и кормовых дрожжей.

Брожение обычно идет в кислой среде при рН 4,0—4,5. Скорость брожения в значительной степени зависит от температуры: при 30 °С она наибольшая, а при 50 °С брожение останавливается. При понижении температуры брожение замедляется, но даже при 0°С оно не прекращается полностью. В различных производствах процесс ведут при температуре от 4 до 28°С.

Верховым брожением называют обычно такое, которое проводится при 20—28СС. Оно протекает быстро и бурно. Выделяющийся углекислый газ образует на поверхности среды много пены и «покрышку» из дрожжей, выносимых на поверхность жидкости. Дрожжи, вызывающие верховое брожение, называют верховыми.

Обычно верховые дрожжи применяют при производстве спирта и хлебопекарных дрожжей.

Низовым брожением в противоположность верховому называют процесс, протекающий при низкой температуре (5—10°С). В этом случае углекислый газ выделяется постепенно, процесс протекает более спокойно и медленно. Дрожжи оседают на дно сосуда в виде плотного слоя.

Продукты обмена веществ, накапливаясь в процессе брожения в среде, оказывают вредное действие на дрожжи. Так, спирт угнетает размножение дрожжей при концентрации 2— 5% об.; при содержании его 12—14% об. брожение прекращается. Однако имеются специально выращенные расы дрожжей, которые продолжают функционировать при концентрации спирта 16—17% об.

Дрожжи — возбудители брожения, применяемые в различных отраслях промышленности, описаны во второй части учебника.

Молочнокислое брожение широко применяется в пищевой промышленности. Молочнокислые бактерии используют в молочном производстве, в хлебопечении, при квашении овощей и силосовании кормов, при изготовлении кваса, в производстве молочной кислоты и т. д. Для получения различных кисломолочных продуктов — простокваши, ацидофилина, сметаны и т. и. молоко предварительно пастеризуют и заквашивают специальными заквасками.

Большое значение имеют молочнокислые бактерии при изготовлении ржаного теста. Образование молочной кислоты способствует развитию дрожжей, но задерживает размножение вредных бактерий, в особенности маслянокислых, обусловливающих тягучесть хлеба. Кроме того, молочная кислота придает хлебу приятный вкус.

Молочнокислые бактерии применяют также для производства молочной кислоты, которую используют в кондитерской промышленности, при изготовлении безалкогольных напитков, в текстильном производстве, в химико-фармацевтической промышленности и в медицине. Молочную кислоту получают брожением крахмала, патоки и других сахаристых материалов, а также молочной сыворотки.

Форма молочнокислых бактерий шарообразная и палочковидная. Молочнокислые бактерии неподвижны, спор не образуют, грамположительны, факультативные анаэробы. Молочнокислые бактерии сбраживают как моносахариды, так и дисахариды после их гидролиза. Они не расщепляют крахмал и другие полисахариды из-за отсутствия у них соответствующих ферментов.

При наличии в среде сахара молочнокислые бактерии различных видов образуют разное количество кислоты. Обычно палочковидные формы этих бактерий более активные продуценты, чем кокковые.

Молочнокислые бактерии в основном очень требовательны к составу питательной среды и хороню развиваются только при наличии разнообразных аминокислот или даже белков. Они нуждаются также в готовых витаминах. Многие молочнокислые бактерии обладают протеолитической способностью и расщепляют белки до аминокислот.

Молочнокислые бактерии встречаются в молоке, на различных растениях, плодах и овощах, а также в почве. Наиболее важное техническое значение имеют следующие молочнокислые бактерии.

Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis). Эти бактерии соединены попарно или короткими цепочками; размеры кокков 0,5—1 мкм. Они встречаются в молоке и сквашивают его. Сбраживают глюкозу, лактозу и мальтозу, не сбраживают сахарозу. Молочнокислые стрептококки развиваются при температуре 30—35°С. В оптимальных условиях они свертывают молоко через 10—12 ч и накапливают в среде до 1 % кислоты. Молочнокислые стрептококки применяются для изготовления кисломолочных продуктов — простокваши, творога, сметаны, масла и др.

Сливочный стрептококк (Streptococcus cremoris). Форма клетки сферическая, диаметр 0,6—0,7 мкм. Образует длинные цепочки. Сбраживает глюкозу и лактозу, не сбраживает сахарозу и мальтозу. Лучший рост сливочного стрептококка наблюдается при температуре 25—30 °С. Наряду с молочнокислым стрептококком эти бактерии применяются при изготовлении закваски.

Термофильный стрептококк представляет собой длинные цепочки кокков. Хорошо развивается при 40—45 °С. Он сбраживает глюкозу, сахарозу, лактозу, но не усваивает мальтозу. Термофильные стрептококки накапливают до 1 % молочной кислоты. Их используют для получения простокваши и сыра.

Болгарская палочка (Bacterium Bulgaricum). Длина этих бактерий 4—5 мкм. Болгарская палочка часто образует длинные цепочки. Сбраживает глюкозу и лактозу, не сбраживает сахарозу и мальтозу. Оптимальная температура роста 40—45°С, минимальная 20°С. Болгарская палочка образует в молоке 2,7—3,7% молочной кислоты.

Сырная палочка. Длина ее 2—6 мкм, толщина — 0,7— 0,9 мкм. Эти бактерии сбраживают глюкозу, лактозу и мальтозу. Оптимальная температура роста 40—42 °С. Сырную палочку применяют при изготовлении сыров.

Ацидофильная палочка. Длина ее 4—5 мкм. Ацидофильная палочка сбраживает глюкозу, мальтозу, сахарозу и лактозу. Оптимальная температура роста се 40°С, минимальная 20СС. В молоке ацидофильная палочка накапливает до 2,2% молочной кислоты. Применяется она для производства ацидофильного молока и простокваши.

Дельбрюковские палочки (Thermobaeterium cereale). Длина их 2—7 мкм и толщина—0,5—0,8 мкм. Встречаются отдельно по одной и короткими цепочками. Сбраживают глюкозу, мальтозу и сахарозу, не сбраживают лактозу. Наилучшая температура развития 45—59 оС. Дельбрюковские палочки накапливают до 2,5% молочной кислоты. Их применяют для производства молочной кислоты и хлебных заквасок.

Огуречная палочка. Длина ее 1,5—2,0 мкм. Огуречная палочка встречается группами попарно или цепочками. Развивается она при квашении овощей и силосовании кормов.

Ароматообразующие молочнокислые стрептококки образуют в качестве побочных продуктов ароматические вещества — диацетил, эфиры и др. Они используются при изготовлении сметаны и масла и обусловливают их специфический аромат.

Заключение

В течение всего периода своего существования человек разумный самонадеянно рассматривает окружающий мир - живую и неживую природу - главным образом как источник собственного благополучия, комфорта, материального и духовного удовольствия. Исходя из этой логики, он упорно стремится обуздать мир микробов и использовать его удивительные свойства в виде микробиологических технологий, которые призвал решать такие проблемы как  получение разнообразных медицинских препаратов, пищевых продуктов и химических веществ на основе промышленных способов культивирования микробов. Поэтому человечество «милостиво» берет эти технологии с собой в третье тысячелетие, а, может быть, это просто могучий мир микробов продолжает оставаться с нами который уже миллион лет.

Использованная литература

1)    http://dobratxt.ru/420.html

2)    Елинов Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. – СПб.: Наука, 1995.

3)    http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt4_1.htm

4)    Северин С.Е. Биохимия и медицина – новые подходы и достижения / С.Е. Северин. – М.: Русский врач, 1998.

5)    http://dic.academic.ru