Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія
Подождите немного. Документ загружается.
Збагачення білком лігнінцелюлозної сировини шляхом
ферментації у зануреній культурі досягає 10–12 %. Канадські
вчені розробили технологію «Проект Ватерлоо», яка базується
на вирощуванні грибної культури Chaetomium cellulolyticum на
оброблених лугом при підвищеній температурі субстратах (тир
са, солома, тверда фракція гною жуйних тварин). Одержаний
продукт містить від 20 до 45 % сирого протеїну (білка – 12–14 %,
35 % вуглеводів, 10 % ліпідів). Білок містить 6,8 % лізину, 2,6 %
метіоніну + цистеїну і 6,1 % треоніну і належить до повноцін
них. Використовується як білкова добавка до раціонів тварин.
21.9.2. Твердофазова ферментація рослинної сировини
Ферментація у зануреній культурі є на сьогодні основним
способом мікробіологічного синтезу. Одним із можливих аль
тернативних варіантів мікробіологічної технології є твердофа
зова ферментація.
Твердофазовою ферментацією називаються мікробіологічні
процеси, які відбуваються не у водній фазі, а в масі легкозволо
женого субстрату. Оптимальна вологість залежить від власти
востей субстрату і мікроорганізмупродуцента, який використо
вується, і становить від 25 до 75 %. Водна фаза у цих умовах
представлена лише плівками на поверхні частин субстрату і во
дою, яка сорбована субстратом. Таким чином, ріст мікроорганіз
мів при твердофазовій ферментації проходить на межі фаз
«твердий субстрат : вода : повітря» і в деяких випадках – усере
дині частинок субстрату.
Як субстрат використовується крохмалевмісна або целюло
зовмісна сировина. Із мікроорганізмівпродуцентів, які ростуть в
умовах твердофазової ферментації, частіше використовуються
міцеліальні гриби, макроміцети у міцеліальній формі, інколи –
змішані культури грибів і дріжджів, а для ферментації крохма
левмісної сировини – чисті культури дріжджів.
Твердофазова ферментація використовувалася протягом
багатьох століть у країнах Далекого Сходу та Індокитаю для
приготування традиційних національних страв. Європейці
ознайомились з цією технологією на початку ХХ століття і до
50х років вона була широко розповсюджена, а потім почала ви
тіснятись глибинною ферментацією. Зараз знову повертаються
до твердофазової ферментації через низку об’єктивних причин.
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
460
Поперше, використання нерозчинного у воді субстрату (рос
линної сировини) суттєво ускладнює ферментацію у зануреній
культурі, вимагаючи додаткових операцій завантаження суб
страту і вивантаження продукту, а безперервні процеси робить
майже нездійсненними. Подруге, це екстенсивний варіант тех
нології, а отже, і дешевий. Потретє, було встановлено, що деякі
процеси відбуваються в умовах твердофазової ферментації у ба
гато разів інтенсивніше.
Найпростішими технологічними варіантами твердофазової
ферментації є компостна купа і поверхневий ріст плісняви. По
хідними цих варіантів є такі типи твердофазової ферментації,
які використовуються як в лабораторній практиці, так і вироб
ництві.
1. Поверхнева твердофазова ферментація (так званий «тонкий
шар»), при якій культура мікроорганізмів росте у шарі суб
страту товщиною 3–7 см в камері, де підтримується необхід
на температура і вологість повітря. Роль біореакторів вико
нують великі, площею до декількох квадратних метрів, таці із
алюмінію, або культиваційні камери (рис. 21.2).
2. Глибинна твердофазова ферментація у шарі, що перемішуєть
ся (так званий «високий шар»). При ньому культура мікро
організмів росте по всій масі субстрату, що досягається від
повідними методами аерації (вентиляції) маси.
3. Твердофазова ферментація у масі субстрату, що перемішуєть
ся і аерується. Cубстрат може бути гомогенним (напіврідкий
гній) або складатись із частинок твердого субстрату, що зна
ходиться у завислому стані (перехідний варіант між твердо
фазовим процесом і процесом у рідкій фазі). Зазвичай вико
ристовують біореактори з низькошвидкісними змішувачами.
Перемішування при великій кількості твердої фази травмує
біооб’єкт, що особливо відчутно для міцеліальних грибів.
М’яке перемішування досягається при використанні шнеко
вих (гвинтових) змішувачів або коли біореактор є оберталь
ним барабаном.
Інтерес до твердофазових процесів пояснюється їх перева
гами порівняно з процесами, які відбуваються у рідкому середо
вищі:
1) вони вимагають менших витрат на обладнання і експлу
атацію;
Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла
461
2) характер субстрату полегшує відділення й очищення
продукту;
3) низький вміст води у субстраті перешкоджає зараженню
культури продуцента сторонньою мікрофлорою;
4) на відміну від процесів в рідкій фазі твердофазові проце
си не пов’язані з викидом в оточуюче середовище великої
кількості стічних вод – потенційного джерела його заб
руднення.
Твердофазове культивування має і певні недоліки. У біль
шості твердофазових процесів відсутнє перемішування, а ріст
мікроорганізмів відбувається за принципом колонізації: роз
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
462
Рис. 21.2. Біореактор (культиваційна камера) для твердофазово
го поверхневого культивування
(за Єгоровим Н.С. та ін., 1987):
субстрат (солома) опирається на металеву сітку; відпрацьований газ покидає
апарат через пори в кришці (1); скляна вата (2) утворює фільтр, який
запобігає попаданню сторонньої мікрофлори до біореактора.
множуючись вони розповсюджуються із точок внесення в суб
страт по всьому об’єму . При цьому окремі зони у товщі субстра
ту надлишково населяються клітинами і виникає локальна не
стача поживних речовин, в той час коли значна частина
субстрату залишається незайманою. До кінця не вирішеною
проблемою є також контроль за ефективністю аерації різних ді
лянок субстрату, температурою і рівнем вологості.
Одержаний після твердофазової ферментації продукт має
залишки вихідної сировини, збагаченої на 6–22 % білком залеж
но від складу субстрату. Наприклад, при твердофазовій фер
ментації у шарі, що перемішується і аерується, з використанням
продуценту Aspergillus niger або дріжджів і гранульованих
крохмалевмісних субстратів одержали продукт, який містить
17–20 % білка. Оброблена лугом тирса після її ферментації
в тонкому шарі містила до 12 % протеїну, а необроблена – до
6–8 %.
Твердофазова ферментація як метод покращення поживної
цінності грубих рослинних кормів має широкі перспективи в
Україні як основа для створення технології малотоннажного
виробництва кормових препаратів – рівня невеликих ферм і
тваринницьких підприємств. Ця технологія, орієнтуючись на
дешеву місцеву сировину, таку як солома, різні відходи місцевої
промисловості і сільського господарства, може стати одним із
основних шляхів виробництва білка для тваринництва. Це
дасть можливість прискорити процеси реформування аграрно
го сектора економіки у нашій державі.
Як субстрат для виробництва дріжджів можна використо
вувати також молочну сироватку – доступний побічний про
дукт сироваріння. У Франції в 1979 р. три підприємства з ви
робничою потужністю 6000 т на рік випускали білок для годівлі
тварин і харчування людей.
21.10. МІКРОБНИЙ БІЛОК У ХАРЧУВАННІ ЛЮДЕЙ
Одержаний біотехнологічним шляхом білок одноклітинних
може бути використаний для виготовлення продуктів харчу
вання.
Ще в роки Першої світової війни з метою вирішення про
блеми нестачі продовольства у Німеччині розпочали крупно
Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла
463
масштабне культивування пивних дріжджів Saccharomyces
cerevisiae, які додавали до супів і ковбас. А в роки Другої світо
вої війни в Німеччині важливим компонентом харчування та
кож були харчові дріжджі (Candidia arborea i C. utilis).
Тепер також за рахунок виробництва білка одноклітинних
планується вирішення певною мірою продовольчої проблеми. У
США білок сої уже давно вводиться в такі м’ясні продукти, як
ковбаси, сосиски, паштети, а фірма Amoco Foods використовує
з цією метою як білкові добавки біомасу мікробів. У Чехосло
ваччині свого часу розроблена програма введення в ковбасні ви
роби білка дріжджів. У колишньому Радянському Союзі була
розроблена технологія виробництва дріжджів на етанолі з по
дальшим додаванням висушеної біомаси у пшеничний хліб, що
підвищує вміст білка в ньому у 1,5 рази.
Перші повідомлення про використання спіруліни у харчу
ванні людей з’явились ще в 1521 р. Тоді водорость Spirulina ma
xima діставали з сильнолужного озера Текскоко поблизу Мехі
ко і висушували для одержання галет синього або зеленого
кольору, які продавались на базарі за назвою «текуітлатл». Піз
ніше, в 1964 р. бельгійська експедиція у Сахарі звернула увагу
на галети синьозеленого кольору, які місцеві жителі називали
«діхе». Мікроскопічні дослідження показали, що вони склада
ються з одного виду водоростей – S. рlatensis і містять до 70 %
білка у сухій речовині. Водорость добували з лужних ставків
навколо озера Чад. Головним постачальником муки зі спіруліни
на світовий ринок (до Японії, США, Європейських країн) є
Мексика. З неї готують білкові концентрати, дієтичні продукти
харчування у вигляді таблеток, капсул, галет, кондитерських
виробів з високим вмістом білка.
З 1983 р. існують міжнародні стандарти на мікроорганізми,
які використовуються для введення у харчові продукти, а також
розроблені уніфіковані методи їх оцінки.
Слід зазначити, що впровадження харчових продуктів із
мікроорганізмів стримується консервативними традиціями у
суб’єктивній оцінці харчових продуктів. Споживач найперше
звертає увагу не на поживну цінність їжі, а на її органолептичні
властивості – консистенцію, колір, смак, запах тощо.
Психологічний бар’єр, з яким стикається виробництво
«мікробної їжі» у країнах Європи і Японії пов’язаний із «сум
нівними» смаковими якостями «їжі майбутнього». Експерт з
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
464
проблем харчування, скуштувавши зразок бактеріальної біома
си, сказав: «Вона має усі ті властивості, якими повинна бути на
ділена нова людська їжа: не має ні запаху, ні кольору, ні струк
тури, ні смаку» (Єгоров Н.С. та ін., 1987).
Варто сподіватись, що в епоху, коли білок одноклітинних
увійде у вжиток, біотехнологія зможе повною мірою використа
ти створений потенціал рослинних і мікробних клітин як про
дуцентів смакових, ароматизуючих і структуруючих їжу доба
вок. Перспективними з цією метою є культивування грибів
(Fusarium), ціанобактерій (Spirulina), зелених водоростей
(Chlorella, Scenedesmus), які мають консистенцію й інші органо
лептичні властивості, що є більш звичними для людини. Волок
нисту масу Fusarium на базі картопляного або пшеничного
крохмалю як джерела їжі для людини нині виробляє компанія
Rank Hovis Mc. Dongall.
Контрольні питання
1. В чому сутність проблем забезпечення білком людства і тва
ринництва?
2. Які шляхи існують для усунення проблеми дефіциту білка?
3. Які переваги має біотехнологічний підхід виробництва біл
ка над традиційним?
4. Які мікроорганізми використовуються як продуценти білка?
5. Які особливості мають дріжджі як продуценти білка?
6. Які переваги і недоліки мають непатогенні бактерії – проду
центи білка?
7. Яку відмінну особливість мають продуценти – мікроскопіч
ні гриби?
8. Чим відрізняються від інших продуцентів білка мікроводо
рості за процесом культивування та складом одержаного
продукту?
9. За якою принциповою технологічною схемою відбувається
процес одержання мікробного білка?
10. Яка сировина використовується для одержання мікробного
білка?
Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла
465
11. Які перспективи має біотехнологія одержання білка на від
ходах переробки нафти?
12. Які особливості процесу культивування мікроорганізмів –
продуцентів білка на природному газі (метані)?
13. Які штамипродуценти є ефективними при використанні як
субстрату метанолу?
14. Чим характеризується білок (еприн), отриманий на етило
вому спирті?
15. Отримання білка одноклітинних водоростей. Яке розпов
сюдження набула технологія в Україні?
16. Чим обумовлена перспектива використання як сировини
для одержання білка відходів агропромислового комплексу?
17. Які особливості і перспективи глибинного культивування
мікроорганізмів або ферментації у зануреній культурі?
18. Суть і типи твердофазової ферментації?
19. Перспективи використання мікробного білка у харчуванні
людей?
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
466
Розділ 22.
БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ
І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ
АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ
Утилізація (від латинського utilis – корисний) – застос
ування з користю, наприклад відходів.
Біоконверсія – це трансформація речовин з однієї форми в
іншу біологічними агентами (живими організмами або фермен
тами). За допомогою біоконверсії з відходів різного походжен
ня (рослинництва, тваринництва, побутових і промислових)
можна одержати різноманітну продукцію – альтернативні носії
енергії, високоякісне органічне добриво, білкові та вітамінні
кормові добавки.
22.1. НЕГАТИВНИЙ ВПЛИВ ВІДХОДІВ ТВАРИННИЦТВА
НА НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ
При експлуатації тваринницьких ферм і комплексів вини
кає багато проблем — санітарногігієнічних, екологічних, еконо
мічних, соціальних тощо.
Це зумовлено передусім значною концентрацією тварин на
обмеженому просторі та порушенням рівноваги між поголів’ям
і площею земельних угідь, що супроводжується накопиченням
великої кількості гною, стічних вод та інших органомістких від
ходів у розрахунку на одиницю земельної площі. Гній містить
значну кількість патогенних мікроорганізмів, яєць і личинок
гельмінтів, насіння бур’янів, солей важких металів та інших ксе
нобіотиків. Потрапляючи у ґрунт і водоймища, гнойова рідина
спричинює забруднення ґрунтових вод, біологічне зараження
ґрунту патогенними мікроорганізмами та викликає масові
отруєння водних організмів. У воді різко збільшується вміст
аміаку і зменшується кількість кисню.
Такі компоненти відходів, як метан, діоксид вуглецю, аміак
і сірководень, забруднюють повітря. Метан, потрапляючи в
атмосферу, зумовлює парниковий ефект, який у 22–30 разів пе
ревершує вплив діоксиду вуглецю і призводить до глобальних
змін клімату. За Міжнародною Конвенцією, яку підписала Ук
раїна, кожній країні виділена певна квота метану, який може по
трапити у навколишнє середовище. Понаднормові його викиди
призводять до штрафних санкцій, а у разі зменшення викидів
метану в атмосферу надає право країні реалізувати певну част
ку своєї квоти на світовому ринку.
Проблеми поглиблюються тим, що сільськогосподарські
угіддя як біологічні системи утилізації можуть сприймати під
вищені дози органічних добрив у вигляді гною в обмеженій
кількості. Критерієм є вміст азоту, максимально допустима кон
центрація якого складає 250–300 кг/га.
Таким чином, гнойова біомаса є забрудником навколиш
нього середовища як органічними, так і біогенними елементами.
На її частку припадає 43–66 % загального біологічного наванта
ження на природні системи.
Для усунення цих негативних явищ необхідна спеціальна
технологічна обробка гною, що дало б можливість підвищити
концентрацію поживних речовин в одиниці об’єму гною і одно
часно усунути запахи, загальмувати або знищити патогенні
мікроорганізми, знизити вміст токсичних речовин та викиди
шкідливих газів у атмосферу.
22.2. МЕТОДИ УТИЛІЗАЦІЇ ГНОЮ
Усі існуючі методи утилізації відходів тваринництва умов
но можна поділити на дві групи: традиційні і нетрадиційні.
При традиційних методах для утилізації використовують
такі природні біологічні системи, як ґрунт і водоймища. Утилі
зація здійснюється біологічними агентами (об’єктами) – мікро
організмами, дощовими черв’яками, членистоногими тощо. Ви
бір біологічної системи суттєво залежить від консистенції
гнойової біомаси, яка, залежно від технології утримання і гноє
видалення, може бути: твердою (вологість до 80 %), напіврід
кою (вологість 81–90 %) і рідкою (вологість більше 91 %).
До нетрадиційних методів належить утилізація гною шля
хом метанового зброджування та вермікультивування з викори
станням біологічних агентів – анаеробних метаноутворюючих
мікроорганізмів і дощових черв’яків.
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
468
22.2.1. Традиційні методи. Використання гною як орга
нічного добрива
Найбільш розповсюдженим методом утилізації гною є ви
користання його для покращення родючості ґрунтів. Зумовлено
це тим, що в сухій речовині гною міститься значна кількість азо
ту (1,9–6,5 %), калію (1,0–2,9 %), фосфору (0,2–2,7 %) і органіч
ної речовини (70–85 %). За еталон органічного добрива прийня
та тонна безпідстилкового гною, після переробки якого (до часу
внесення у ґрунт) у ньому міститься 35–40 % сухої речовини,
0,05 азоту, 0,25 фосфору і 0,6 % калію. Крім цього, гній є джере
лом гумусу – основного фактора родючості ґрунтів. У середньо
му 1 т гною дає 40–50 кг гумусу. Тому гній позитивно впливає
на родючість, фізикохімічні, агрофізичні та біологічні власти
вості ґрунту. Як джерело макро і мікроелементів, вуглекислого
газу, гній суттєво поліпшує баланс біогенних елементів у ґрун
ті. Внесення гною у ґрунт значно підвищує його енергоємність,
що є одним із факторів, який сприяє збільшенню виходу назем
ної біомаси з одиниці земельної площі, а також підвищенню
синтетичної активності аутотрофних мікроорганізмів.
Цей метод використовують в основному для утилізації
твердої фракції гною (підстилковий гній) вологістю не вище
70 %. Його складують на спеціальних майданчиках для накопи
чення, карантинування і біотермічного знезараження. Біотер
мічний метод базується на утворенні в знезаражуваній масі ви
сокої (60
о
С) температури і витримуванні протягом одного
місяця у теплий період року і два місяці – у холодний. Якщо во
логість гною перевищує 70 %, період витримування треба збіль
шити до 5–6 місяців. Після цього гній вивозять на поля під зао
рювання.
У ґрунті органічні речовини гною трансформуються ауто
трофними мікроорганізмами й іншими біологічними об’єктами
(черв’яками, членистоногими). Неорганічні речовини адсорбу
ються частинками ґрунту або осаджуються, але не руйнуються.
Особливо небезпечні стосовно цього важкі метали, тому їх кіль
кість у ґрунті суворо лімітується.
Рідкий гній (безпідстилковий ВРХ і гнойові стоки свинар
ських комплексів) спочатку розділяють у відстійниках на твер
ду фракцію і рідку або стічні води. Тверда фракція складується
для біотермічного знезараження і використовується як органіч
не добриво.
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
469