Розглянемо кілька прикладів біотехнологічного виробництва різних товарів.
Історично найбільш ранніми та широко поширеними способами біотехнології є бродильні процеси. Як приклад бродіння можна навести схему процесу виробництва хліба (див. рис. 5). Аналогом приготування середовища тут є отримання опари (суспензії борошна у воді), яку додають дріжджі і піддають бродіння. Бродіння відбувається і на подальших стадіях - замісі тіста, формуванні заготовок, вистоювання, випікання.
Наприкінці XIX століття було налагоджено виробництво лимонної кислоти на основі цукромісткої сировини, наприклад, меляси. Лимонна кислота є однією з основних харчових кислот, що використовуються в харчовій промисловості як підкислювач, консервант, підсилювач смаку, емульгатор.
В даний час для її виробництва застосовують глибинну ферментацію з використанням цвілевого гриба Aspergillus niger в герметичних ферментерах (блок-схема виробництва наведена на рис. 6). Використання цього штаму грибів дозволяє досягти 99% виходу кислоти в перерахунку на витрачену сахарозу. Як дешеву вуглеводневу сировину для синтезу застосовують мелясу, крохмаль і глюкозний сироп. Останнім часом було запропоновано високоефективну екологічно безпечну технологію, засновану на використанні як продуцента цитрату натрію та лимонної кислоти спеціально селекціонованого високоактивного та стабільного штаму дріжджів.
Як сировина використовується непитний етиловий спирт, у тому числі технічний, спиртовмісні напівпродукти та відходи спиртових заводів.
Процес ферментації - перетворення спиртовмісної сировини на лимонну кислоту та (або) цитрат натрію, що використовується для виготовлення екологічно чистихсинтетичних миючих засобів здійснюється в безперервному або періодичному режимах в стандартних ферментаційних апаратах в умовах перемішування та аерації. Технологія дозволяє виробляти цитрат натрію різної кваліфікації, а також лимонну кислоту харчового та технічного призначення. Порівняно з традиційною, нова технологія забезпечує значне зниження собівартості кінцевого продукту завдяки стабільній активності штаму-продуцента, невисокій вартості вихідної сировини, суттєвому скороченню стадій виробництва, зниження питомих витрат електро- та теплоенергії, знижується кількість твердих відходів та обсяг стічних вод.
Найважливішим продуктом мікробіологічної промисловості є харчова оцтова кислота. Її одержують за реакцією окислення етанолу. Цей процес протікає за участю оцтово-кислих бактерій, що належать до пологів Acetobacter та Gluconobacter. Оскільки оцтово-кислі бактерії не перетворюють вуглеводи безпосередньо на оцтову кислоту, вихідна сировина спочатку піддається спиртовому бродінню, а потім спирт окислюється до оцтової кислоти. Окислення спирту протікає в аеробних умовах.
Біотехнологічним шляхом одержують також молочну кислоту, що застосовується як сировина для біорозкладного полімеру полілактату. Ітаконову кислоту, що використовується у виробництві пластмас та барвників, отримують шляхом ферментації на середовищах, що містять цукри або парафіни нафти. Яблучну кислоту, що застосовується в харчовій промисловості як окислювач, можна синтезувати з н-парафінів за допомогою дріжджів роду Candida, з етанолу шляхом ферментації за участю бактерій, а також з фумарової кислоти з використанням іммобілізованого ферменту фумаразу. Біотехнологічним шляхом виробляють глюконову кислоту. Ця кислота таїї солі використовуються у харчовій промисловості, медицині.
На рис. 7 представлена блок - схема виробництва паприну (кормових дріжджів). У СРСР 70 - 80 гг. паприн був одним із продуктів великомасштабного виробництва білково-вітамінних концентратів (БВК) для тварин. Дане виробництво є отримання інактивованої біомаси, важливою особливістю якого є повернення в ферментер відпрацьованої культуральної рідини (ОКЖ), в результаті чого виключаються стоки на стадії сепарації.
Одне з провідних місць у біотехнології займає синтез амінокислот. Амінокислоти знаходять застосування в різних цілях: для збагачення кормів як добавки в харчові продукти, що містять рослинні білки, в хімічній промисловості. Синтез амінокислот біотехнологічними методами кращий, ніж хімічними, тому що в цьому випадку не утворюється суміш оптичних ізомерів амінокислот. Розглянемо виробництво важливої незамінної амінокислоти лізин (рис. 8).
У промисловості одержують L-ізомер цієї амінокислоти. Використання L-лізину дозволяє оптимізувати склад їжі, зменшити витрати на виробництво корму для тварин та звести до мінімуму виділення азоту. Дана амінокислота є в даний час основною харчовою добавкою при виробництві свинини та м'яса свійської птиці. Процес одержання лізину включає кілька підготовчих стадій: одержання посівного матеріалу, приготування складного багатокомпонентного середовища, його стерилізація, компримування та стерилізація повітря.
На стадії концентрування культуральну рідину, що утворюється в процесі ферментації, спочатку випарюють під вакуумом і потім сушать. Обсяг світового виробництва лізину становить зараз близько 600 000 т на рік. Серед його виробників лідирують японські,американські та німецькі компанії. Приріст виробничих потужностей лізину становить 7-10% на рік.
Крім лізину, найважливішою амінокислотою, виробництво якої збільшується з кожним роком, є сірковмісна амінокислота метіонін. Обсяг його світового виробництва - близько 400 000 т на рік. Основною сферою застосування метіоніну є виробництво харчових добавок для корму свійської птиці. Кормовий DL-метіонін є сумішшю D- та L-ізомерів і виробляється хімічними методами. Останнім часом зростає також виробництво L-метіоніну фармацевтичного призначення.
Фармацевтичні амінокислоти знаходять застосування як парентеральні (внутрішньовенні) препарати, а також у виробництві діабетичних харчових добавок. Для отримання енантіомерно чистого L-метіоніну необхідно використовувати біотехнологічні методи. Лідером у виробництві фармацевтичного L-метіоніну є німецька фірма Degussa, яка використовує найновішу технологію ферментного розкладання. Слід зазначити, що Degussa є в даний час єдиним виробником всіх чотирьох основних амінокислот, що використовуються для виробництва корму: L-лізину, DL-метіоніну, L-треоніну та L-триптофану.
С.В. Макаров, тобто. Нікіфорова, Н.А. Козлів