Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

суспензія клітин у водному середовищі. Клітини відділяють від

водного розчину сепарацією, обробляють теплом і висушують.

Продукт може бути випущений у пилоподібній або гранульова

ній формі. Вміст білка в продукті складає 50–66 %. Повноцін

ність виробленого мікробного білка визначається за вмістом лі

зину (незамінної амінокислоти). У дріжджах його міститься з

розрахунку на білок близько 10 % (для порівняння – вміст лізи

ну в сої становить трохи більше 6 %).

Обов’язковою стадією технологічної схеми одержання біл

кових речовин є процес очищення газоповітряних викидів

(ГПВ), в яких містяться живі клітини мікроорганізмів, білко

вий пил та інші продукти білкового синтезу.

21.4. ОДЕРЖАННЯ МІКРОБНОГО БІЛКА НА

ВІДХОДАХ ПЕРЕРОБКИ НАФТИ

Ще донедавна вуглеводні нафти (очищені нпарафіни і

нафтові дистиляти) були одним із перспективних джерел сиро

вини для одержання кормового білка. Їх засвоює особлива гру

па мікроорганізмів, до складу яких входить не менше тисячі ви

дів. Вченими було установлено, що здатність використовувати

нафту і нафтопродукти мають багато бактерій і мікроскопічних

грибів, які розповсюджені на ґрунті нафтових родовищ та про

мислів.

У 60ті роки ХХ ст. західні нафтові компанії розробили тех

нологію вирощування біомаси дріжджів Candidia lipolitica на

очищених нпарафінах (налканах), виділених із нафти. А уже в

1973 р. у Радянському Союзі почав функціонувати перший у

світі завод з виробництва кормових дріжджів на налканах наф

ти потужністю 70 тис. т на рік. Станом на 1988 рік у країні прац

ювало 86 установок, які виробляли мікробний білок.

Як продуценти можна використовувати дріжджові або бакте

ріальні культури, однак розповсюдження одержали майже всі

дріжджі роду Сandidia: C. guilliermondii, C. maltoza, C. sake. Ці

мікроорганізми за оптимальних умов культивування здатні за

безпечити високий коефіцієнт засвоєння субстрату (налканів) –

до 40 % і накопичувати велику кількість білка (вище 60 %).

Продукт (білок), одержаний на рідких парафінах або

налканах (паприн), містить близько 60 % сирого протеїну, жи

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

450

рів – до 5 %, легко перетравних вуглеводів – 10–20 %, мінераль

них речовин – 5–8 %, вітаміни групи В, ергостерин.

Однак у зв’язку з обмеженістю сировинних ресурсів і підви

щенням їх вартості ця технологія тепер не використовується

для крупнотоннажного промислового виробництва білка.

Альтернативними субстратами для одержання мікробіаль

ного білка є гази, які містять метан, нижчі спирти (метанол, ета

нол), вуглеводи рослинного походження і в перспективі водень.

21.5. ОДЕРЖАННЯ МІКРОБНОГО БІЛКА

НА ПРИРОДНОМУ ГАЗІ (МЕТАНІ)

Природний газ як сировина для одержання мікробного біл

ка теж втратив перспективу через обмеженість ресурсів і висо

ку вартість на світовому ринку.

Дослідження, проведені в 60–70х роках ХХ ст., дали можли

вість виділити чисті культури мікроорганізмів, здатних ефектив

но перетворювати метан природного газу на білок. Це метанооки

слюючі бактерії, і основним з них є Metylococcus capsulatus, який

належить до облігатних метилотрофних мікроорганізмів.

Специфічність процесу культивування метаноокислюючих

бактерій на природному газі полягає в тому, що основні пожи

вні речовини – це гази (метан і кисень), які необхідно підвести

у достатній кількості до стінок клітин, а оптимальна концентра

ція метану залежить від співвідношення метан : повітря або ме

тан: кисень. Встановлено, що потреба бактерій у кисні у 2–3 ра

зи перевищує їх потребу у метані.

Культивування мікроорганізмів на метані порівняно з

вирощуванням на інших субстратах має як переваги, так і недо

ліки.

До переваг належить чистота природного газу, який на від

міну від парафінів нафти не містить речовин, котрі потрібно бу

ло б видаляти з біомаси. Крім того, природний газ легко транс

портується по трубах.

До недоліків природного газу як субстрату слід віднести по

гану його розчинність у культуральному середовищі, повільний

ріст метаноокислюючих бактерій, підвищене споживання кис

ню (у 5 разів вище, ніж на вуглеводах, і у 2–2,5 рази вище, ніж

на нпарафінах) та вибухонебезпечність.

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

451

Дослідження щодо використання метану як сировини для

одержання білка, розпочаті компанією «Шелл» (Велика Брита

нія) в 1975 р., досить швидко припинилися через недостатню

ефективність створеного з цією метою обладнання. Виявилось,

що вигідніше попередньо окислювати метан у метиловий спирт

хімічним шляхом, а потім використовувати його як субстрат

для вирощування мікроорганізмів.

Одержана на метані кормова бактеріальна біомаса (гаприн)

містить до 75 % протеїну, ліпідів – до 5 і золи – до 10 %. Білок

за амінокислотним складом і поживною цінністю прирівнюєть

ся до рибної муки або соєвого шроту.

21.6. ОДЕРЖАННЯ МІКРОБНОГО БІЛКА НА НИЖЧИХ

СПИРТАХ — МЕТАНОЛІ І ЕТАНОЛІ

Метанол, який є продуктом окислення метану, вважаєть

ся найперспективнішим субстратом для одержання мікробного

білка. Джерелом крупнотоннажного виробництва метанолу є не

тільки метан природного газу, запаси якого обмежені, а й метан

біогазу, який одержують із поновлюваної рослинної біомаси.

Основними перевагами цього субстрату є висока чистота

метанолу, добра його розчинність у воді, висока леткість, яка

дозволяє легко видаляти його залишки із готового продукту.

Крім того, мікробна біомаса, одержана на метанолі, не містить

небажаних домішок, що дає змогу уникнути в технологічному

процесі стадії очищення. Недоліком метанолу як субстрату є

його горючість і можливість утворення з повітрям вибухонебез

печних сумішей у діапазоні концентрації 6–35 % (за об’ємом), а

також високу токсичність метанолу, що вимагає при роботі з

ним дотримання правил техніки безпеки.

Мікроорганізмамипродуцентами є як дріжджові, так і бак

теріальні штами. Із дріжджів використовуються Candidіa boidi

nii, Hansenula polymorpha i Piehia pastoris, а з бактеріальних

культур – Methylomonas clara, Pseudomonas rosea та інші.

Дуже важливим моментом при використанні метанолу є ви

бір ефективного штамупродуценту. Установлено, що бактерії

утилізують метанол з більшим виходом мікробної біомаси порів

няно з дріжджами, проте дріжджі мають низку технологічних пе

реваг над бактеріями. Первинне окислення метанолу в дріжджів

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

452

каталізується оксидазною реакцією, а в бактерій – дегідрогена

зою. Перспективним є об’єднання переваг обох мікроорганізмів у

одній клітині методами генетичної інженерії. Для цього за допо

могою біотехнології рекомбінантних ДНК ген, що кодує синтез

бактеріального ферменту метанолдегідрогенази, яка каталізує

первинне окислення метанолу, переносять з бактеріальної у дріж

джову клітину і створюють умови для його експресії.

Перспективним також є використання сумішей культур, од

ні з яких споживають тільки метиловий спирт, а інші – решту

субстратів і продуктів власного метаболізму.

Одержані на метанолі кормові дріжджі (меприн) містять

56–62 % сирого протеїну, а бактеріальна біомаса – 70–74 %.

Етанол як субстрат для одержання мікробного білка має

такі переваги: мала токсичність, добра розчинність у воді, до

сить висока летючість, невелика кількість домішок і можливість

легкої його утилізації практично всіма мікроорганізмами. Крім

того, за рахунок наявності в молекулі спирту кисню, потреба в

кисні або повітрі нижча, а звідси менші тепловиділення й інтен

сивність аерації. Але разом з тим етанол – це легкозаймиста рі

дина, яка утворює з повітрям вибухонебезпечні суміші в інтер

валі концентрацій 3–20 % (за об’ємом).

Вартість очищеного етанолу на світовому ринку удвічі біль

ша, ніж метанолу, але етанол відрізняється високою ефективні

стю біоконверсії. З 1 кг етанолу можна одержати до 880 г дріж

джової маси, а з 1 кг метанолу – до 440 г. На етанолі одержують

високоякісний білок, який може використовуватись у харчу

ванні людей.

Як мікроорганізмипродуценти білка на етиловому спирті

(єдиному джерелі вуглецю) можуть використовуватись дріжджі

(Candidia utilis, Sacсharomyces lambica, Hansenula anomala) і

бактерії (Acinetobacter calcoaceticus), однак останні мають мен

ше практичне значення.

Дріжджовий кормовий білок, одержаний на етанолі

(еприн), містить 60–62 % сирого протеїну і дуже багатий на лі

зин – до 7 %. Недоліком білка є невелика кількість сірковмісних

амінокислот і перш за все метіоніну, що знижує його біологічну

повноцінність.

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

453

21.7. ОДЕРЖАННЯ МІКРОБНОГО БІЛКА НА

ГІДРОЛІЗАТАХ РОСЛИННИХ ВІДХОДІВ

Історично одним з перших субстратів, які використовува

лись для одержання кормової мікробної біомаси, були

гідролізати рослинних відходів, предгідролізати і сульфітний

луг – відходи целюлозопаперової промисловості.

В середині 30х років ХХ ст. у колишньому Радянському

Союзі було розпочато виробництво кормових дріжджів на гід

ролізатах рослинної сировини. Ця технологія не знайшла роз

повсюдження на Заході. Суть цієї технології одержання білка –

це кислотний гідроліз рослинних поліцукрів до пентоз і гексоз

(при одностадійному гідролізі), або тільки до пентоз і тільки до

гексоз (при двостадійному гідролізі), які можуть використову

ватись або безпосередньо як джерело вуглецю і енергії для ви

рощування дріжджів, або з названих моноцукрів одержують

етанол з подальшою його трансформацією у дріжджову біомасу.

Основними промисловими штамамипродуцентами є різні

види дріжджів – Candidia utilis, C. scottii i C. tropicalis, здатні за

своювати пентози і гексози і навіть переносити наявність фурф

уролу у середовищі.

Основна перевага технології – це одержання продукту без

залишків вихідної сировини, а отже, більш стабільного і контро

льованого складу та поновлення сировинних джерел (рослин

ної біомаси). Недоліком є необхідність використання агресив

них середовищ і високих тисків на стадії гідролізу, значні

витрати на його проведення та транспортування рослинної си

ровини. Гідролізні підприємства мають невеликі потужності і

свого часу внесли великий вклад у вирішення проблеми кормо

вого білка. Кормові дріжджі, одержані на гідролізатах рослин

ної сировини, містять до 43–58 % білка.

Крім рослинних, використовуються і гідролізати відходів

тваринництва (гнойових стоків від свиней) для вирощування

кормових дріжджів. Ця технологія використовувалась у Че

хословаччині.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

454

21.8. ОДЕРЖАННЯ БІЛКА ОДНОКЛІТИННИХ

ВОДОРОСТЕЙ

Одноклітинні водорості є одним із суттєвих резервів харчо

вого і кормового білка.

На відміну від технології вирощування бактерій і дріжджів

культивування мікроводоростей не належить до безперервних

процесів, оскільки проходить за рахунок фотосинтезу. Ефек

тивність виробництва біомаси водоростей залежить від умов ос

вітлення, температури та складу живильного середовища, а сам

процес потребує великих об’ємів води.

Вирощувати одноклітинні водорості можна як у природних

умовах у прісних, солоних і лужних водоймищах, так і спеціаль

них фітобіологічних реакторах на штучних середовищах та гно

йових стоках тваринницьких підприємств.

Крупнотоннажне культивування зелених водоростей здій

снюється у багатьох країнах. Так, у Японії шляхом розмножен

ня у прісних водоймищах одноклітинної водорості хлорели вда

лось одержати близько 16 т білка з 1 га поверхні водоймища.

Для порівняння – з 1 га посівів арахісу можна одержати лише

471 кг білка.

Вчені розробили фітобіологічні реактори, призначені для

культивування морських водоростей. У спрощеному вигляді та

кий реактор являє собою скляну або пластикову трубу, в якій

вирощують певний вид водоростей. Її щільність за допомогою

ЕОМ і мікропроцесорів підтримується на оптимальному рівні, а

вихід біомаси регулюється залежно від інтенсивності сонячного

освітлення. Такий реактор може бути споруджений над морем.

Він може бути використаний для виробництва великих кілько

стей кисню, необхідного для різних галузей промисловості.

Вчені розрахували, що в такому реакторі може використовува

тись до 14 % сонячної енергії. Для порівняння – у полі рослини

засвоюють лише 1 % енергії.

В Орегонському університеті (США) проведені досліджен

ня з вирощування мікроводоростей – хлорели, спіруліни, сце

недесмус на гнойових стоках, які збирали зі свинарників по

трубах у спеціальний басейн, в якому підтримували певні умо

ви освітлення і температуру. Найкращий ріст хлорели спосте

рігався при температурі 35 С і вмісті в 1 л середовища 250 мг

азоту.

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

455

У колишньому Радянському Союзі була також розроблена

технологія вирощування хлорели на стоках свинарських ком

плексів з подальшим використанням біомаси тваринам.

В Україні в 50–60х роках ХХ ст. була зроблена спроба ви

рощування хлорели у виробничих умовах. Досвід культивуван

ня цієї водорості показав, що її доцільно розмножувати з метою

отримання кормової добавки для тварин і птиці. Проте значних

успіхів у використанні хлорели досягти не вдалось, що пов’яза

но зі складнощами, які виникали під час концентрування біома

си та її нарощування.

Більш перспективною для одержання білка є синьозелена

водорость спіруліна (Spirulina platensis, S. maxima), яка краще

розмножується на штучних середовищах порівняно з хлорелою.

У комісії Європейського співтовариства розглянуто декіль

ка ефективних і перспективних систем для вирощування біома

си спіруліни на кормові і харчові цілі: турбулярноциліндрич

ноканальчата система Монтедісона; відкрита турбулярна

система з розмноженням в лотках для заводських умов; система

– Е

для виробництва біомаси на стічних водах.

На інтенсивність росту і швидкість нагромадження біомаси

та її хімічний склад значний вплив має температура, освітлення

та склад живильного середовища і особливо концентрація в

ньому азоту. У всіх водоростей зі зростанням рівня азотного

живлення з 8 мг/л до 450 мг/л спостерігалось зростання інтен

сивності нарощування біомаси та підвищення вмісту протеїну в

біомасі з 8 до 54 %.

Оптимальною для вирощування спіруліни є температура

30–42

С. Із подальшим зростанням температури інтенсивність

росту водорості та кількість протеїну у біомасі знижується.

При культивуванні спіруліни в умовах нестачі сонячного

випромінювання і в туманні дні інтенсивність росту спіруліни

різко знижувалась.

На відміну від дріжджів та деяких інших видів мікроорга

нізмів спіруліна може інтенсивно розмножуватись у широких

діапазонах концентрацій мінеральних речовин. Для культиву

вання спіруліни найчастіше використовують середовище Зар

рука, в якому міститься значна кількість бікарбонату натрію

(16,8 г/л), що створює рН на рівні 9,5.

Генетичне вдосконалення штамів спіруліни може значно

підвищити інтенсивність росту і накопичення біомаси. В Мек

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

456

сиці методами генної інженерії були одержані штами, які росли

на різноманітних лужних середовищах і в штучних умовах. Ви

хід біомаси спіруліни досягнув 10–20 т на 1 га.

Аналізи зразків Spirulina, одержаних у лабораторних умо

вах і зібраних у природі, проведені у Французькому інституті

нафти, а також в Японії, Італії, Мексиці показали, що у ній

міститься в середньому 65 % білків (значно більше, ніж у сої),

19 % вуглеводів, 6 % пігментів, 4 % ліпідів, 3 % волокон і 3 % зо

ли. Клітинні оболонки краще перетравлюються, порівняно з

хлорелою і сценедесмус.

В умовах збалансованості біогенними макро і мікроеле

ментами, достатнім рівнем забезпечення теплом і світлом спіру

ліна може синтезувати органічну речовину з високим вмістом

протеїну (87–91 %), в тому числі 60–70 % білка, небілкових азо

товмісних сполук 21–27 %, безазотистих екстрактивних речо

вин 8–10 % та 6–8 % золи. За рівнем збалансованості білків не

замінними амінокислотами спіруліна займає проміжне

положення між білками рослинного та тваринного походження

(Кир’яченко С.П., 1997).

На кормові і харчові цілі можуть використовуватись три

види продуктів, виготовлених зі спіруліни: пастоподібна сус

пензія після сепарування; суха зневоднена біомаса методом

ліофільного висушування або висушена на барабанних сушар

ках та методом розпилювального сушіння в камерах; суха

маса, отримана після ферментації і екстракції легкорозчинних

речовин.

21.9. ОТРИМАННЯ ВИСОКОБІЛКОВИХ КОРМОВИХ

ПРЕПАРАТІВ ІЗ СИРОВИНИ, ЩО ПОСТІЙНО

ВІДНОВЛЮЄТЬСЯ

Вирощування дріжджів і бактерій на очищених рідких па

рафінах нафти, природному газі, а також на їх окислених похід

них – спиртах і кислотах іще донедавна був основним способом

крупномасштабного промислового виробництва кормових біл

кових концентратів.

Однак зростаючий дефіцит цих видів сировини у світі, ріст

цін на нафтопродукти і газ стимулювали пошуки нових джерел

сировини для мікробіологічної промисловості. Такими перспек

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

457

тивними видами сировини є рослинна біомаса і відходи тварин

ництва. Рослинна біомаса належить до поновлюваних джерел

сировини. Це різні плоди і соки, крохмалевмісні клубні,

трав’яниста, кущова, дерев’яниста рослинність, а також числен

ні і різноманітні відходи їх промислової переробки і сільсько

господарського виробництва.

Рослинна сировина є практично необмеженим ресурсом

для виробництва білкових речовин. Ресурси біомаси у світі ве

личезні і оцінюються в 100 млрд. т сухої речовини на рік. При її

переробці утворюється велика кількість відходів. Так, при пере

робці деревини у целюлозопаперовій промисловості ефектив

но використовується лише 50 % її маси. Згідно з розрахунками

французьких фахівців, світові ресурси вуглеводів, які містяться

у рослинних відходах сільськогосподарського виробництва (со

ломі, висівках тощо) сягає 585 млн. т на рік.

Розроблена безвідходна технологія утилізації рисової соло

ми, яка не використовується ні в годівлі тварин, ні як підстилка

через жорсткість. Із тонни рисової соломи можна одержати

100 кг кормових дріжджів і 200 м

теплоізоляційних волокни

стих плит. За прогнозами українських спеціалістів, за умови

створення у трьох основних рисосіючих гегіонах України

(АРКрим, Одеській і Херсонській областях) відповідних вироб

ничих потужностей, можна буде одержувати щорічно 20–25

тис. т кормових дріжджів і 40–45 тис. м

теплоізоляційних плит

(Ю.П. Лебединський і ін., 1990).

Таким чином, рослини утворюють величезну біомасу, яка

на сьогодні використовується ще недостатньо. Ця маса багата

вуглеводами, але бідна азотом і білком. Використовуючи біома

су як субстрат для мікроорганізмів, її можна перетворити на ба

гаті білком, жирами, вітамінами кормові препарати. Для цього

використовуються такі принципово різні технологічні прийо

ми, як ферментація у зануреній культурі і твердофазова фер

ментація рослинної сировини.

У колишньому Радянському Союзі у ВНДІ біотехніка була

розроблена біотехнологія одержання кормових продуктів на ос

нові мікробіологічного синтезу з використанням як сировини

різних целюлозовмісних відходів промислового і сільськогос

подарського виробництва (жом, виноградні вижимки, пивна

дробина, корзинки соняшника, костриця льону, коноплі тощо).

Методами глибинної і твердофазової ферментації одержали

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

458

продукт, який, залежно від якості сировини, містить 25–50 %

протеїну, ферменти целюлолітичної дії, вітаміни, ліпіди.

Отже, усі рослинні відходи можна перетворити на багаті

білком, жирами, вітамінами кормові препарати мікробного по

ходження. Для цього використовують декілька принципово різ

них технологічних рішень – культури мікроорганізмів вирощу

ють глибинним або поверхневим методом.

21.9.1. Ферментація у зануреній культурі, або глибинне

культивування мікроорганізмів

При цьому типові ферментації використовується як крох

малевмісна, так і целюлозовмісна рослинна сировина.

Для ферментаціїї крохмалевмісної сировини використову

ються мікроорганізмипродуценти, які мають ферменти для

гідролізу крохмалю (амілази). Це дріжджі роду Candidia та дея

кі плісняві гриби (роди Fusarium, Chrysosporium, Aspergillus,

Myrothecium та ін.). Мікроорганізмипродуценти вирощують у

звичайних ферментерах на синтетичних середовищах, куди як

джерела вуглецю і енергії додають крохмаль або крохмалевміс

ну сировину (картоплю і продукти її переробки, подрібнене зер

но кукурудзи тощо).

Продуктом такої ферментації є препарат, який містить за

лишки вихідної сировини, збагаченої на 17–20 % білком за ра

хунок біомаси дріжджів і пліснявих грибів.

Для одержання збагачених мікробним білком кормових

препаратів із важкодоступної для мікроорганізмів рослинної

сировини, такої як солома, деревина, тирса й інші промислові і

сільськогосподарські відходи (які складаються в основному із

целюлози і лігніну) використовують мікроорганізми, які мають

целюлозолітичні ферменти. Найчастіше — це міцеліальні гриби

і рідше бактерії.

Складна надмолекулярна структура лігнінцелюлозного

рослинного субстрату дуже стійка до ферментативної дії. Щоб

полегшити доступ ферментів мікроорганізмів до поліцукрів

рослинної сировини, проводиться попередня її обробка різними

способами. Найчастіше використовують хімічний спосіб у по

єднанні з термічним – це обробка субстратів слабкими лугами

при підвищеній температурі. Використовуються також інші

методи руйнування лігнінцелюлозних надмолекулярних струк

тур – механічний, фізичний (наприклад, плющення соломи).

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

459