Промышленная микробиология

Промышленная микробиология — это отрасль биотехнологии , которая применяет микробные науки для создания промышленных продуктов в массовых количествах, часто используя фабрики микробных клеток . Существует множество способов манипулирования микроорганизмами с целью увеличения максимального выхода продукции. Введение мутаций в организм может быть достигнуто путем введения их в мутагены. 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 позволяет производить больше ферментов, что в конечном итоге приводит к большему выходу продукта. ^[1] Манипулирование организмами с целью получения определенного продукта имеет множество применений в реальном мире, таких как производство некоторых антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, растворителей, алкоголя и повседневных продуктов. Микроорганизмы играют большую роль в промышленности, и их можно использовать различными способами. В медицине микробы могут использоваться для создания антибиотиков для лечения инфекций. Микробы также могут использоваться в пищевой промышленности. Микробы очень полезны в создании некоторых массовых продуктов, потребляемых людьми. Химическая промышленность также использует микроорганизмы для синтеза аминокислот и органических растворителей. Микробы также могут использоваться в сельском хозяйстве в качестве биопестицида вместо использования опасных химикатов и/или инокулянтов для содействия размножению растений.

Медицинское применение промышленной микробиологии заключается в производстве новых лекарств, синтезированных в определенном организме для медицинских целей. Производство антибиотиков необходимо для лечения многих бактериальных инфекций. Некоторые природные антибиотики и предшественники производятся с помощью процесса, называемого ферментацией . Микроорганизмы растут в жидкой среде, где размер популяции контролируется для получения наибольшего количества продукта. В этой среде питательные вещества, pH, температура и кислород также контролируются для того, чтобы максимизировать количество клеток и не дать им умереть до производства нужного антибиотика. После того, как антибиотик произведен, его необходимо извлечь для получения дохода.

Витамины также производятся в огромных количествах либо путем ферментации, либо путем биотрансформации . ^[2] Например, витамин B2 (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 разработаны для увеличения выхода производимого рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, используемым для этой реакции, является Ashbya gossypii . Процесс ферментации является еще одним распространенным способом производства рибофлавина. Наиболее распространенным организмом, используемым для производства рибофлавина путем ферментации, является Eremothecium ashbyii . После того, как рибофлавин произведен, его необходимо извлечь из бульона, это делается путем нагревания клеток в течение определенного времени, а затем клетки можно отфильтровать из раствора. Рибофлавин затем очищается и выпускается как конечный продукт. ^[3]

Микробная биотрансформация может использоваться для производства стероидных лекарственных средств. Стероиды можно употреблять как перорально, так и в виде инъекций. Стероиды играют большую роль в контроле артрита. Кортизон — противовоспалительное средство, которое борется с артритом, а также с несколькими кожными заболеваниями. ^{[ необходима цитата ]} Другим используемым стероидом является тестостерон, который был получен из дегидроэпиандростерона с использованием вида Corynebacterium ^[4] .

Ферментация — это реакция, в которой сахар может быть преобразован в газ, спирты или кислоты. Ферментация происходит анаэробно, что означает, что микроорганизмы, которые подвергаются ферментации, могут функционировать без присутствия кислорода. Дрожжи и бактерии обычно используются для массового производства множества продуктов. Питьевой алкоголь — это продукт, который производится дрожжами и бактериями. Питьевой алкоголь также известен как этанол, и этанол используется для питания автомобилей в качестве источника топлива. Питьевой алкоголь производится из натуральных сахаров, таких как глюкоза. Углекислый газ производится как побочный продукт в этой реакции и может использоваться для приготовления хлеба, а также может использоваться для газирования напитков. Ферментация Вино: Алкогольные напитки, такие как пиво и вино, ферментируются микроорганизмами при отсутствии кислорода. ^{[ требуется ссылка ]}

В этом процессе, как только в среде появляется 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 спирта в своей среде, прежде чем он станет токсичным, таким образом, можно получить разные уровни спирта в пиве и вине, просто выбрав другой штамм микроорганизмов. Большинство дрожжей могут переносить от 10 до 15 процентов спирта, но есть некоторые штаммы, которые могут переносить до 21 процента спирта. Молочные продукты, такие как сыр и йогурт, также могут быть получены путем ферментации с использованием микробов. Сыр был произведен как способ сохранения питательных веществ, полученных из молока, путем ферментации, таким образом, продлевая срок годности продукта. Микробы используются для преобразования лактозных сахаров в молочную кислоту путем ферментации. Бактерии, используемые для такой ферментации, обычно принадлежат к семействам Lactococci , Lactobacilli или Streptococci . Иногда эти микробы добавляются до или после этапа подкисления, необходимого для производства сыра. Также эти микробы отвечают за различные вкусы сыра, поскольку у них есть ферменты, которые расщепляют молочные сахара и жиры на множество строительных блоков. Некоторые другие микробы, такие как плесень, могут быть намеренно введены во время или до созревания сыра, чтобы придать ему другой вкус. ^{[ необходима цитата ]}

Производство йогурта начинается с пастеризации молока, где нежелательные микробы уменьшаются или устраняются. После пастеризации молоко готово к переработке для снижения содержания жира и жидкости, поэтому в основном остается твердое содержимое. Это можно сделать путем сушки молока, чтобы жидкость испарилась, или путем добавления концентрированного молока. Увеличение содержания твердого вещества в молоке также увеличивает пищевую ценность, поскольку питательные вещества становятся более концентрированными. После завершения этого этапа молоко готово к ферментации, где в молоко вносят бактерии в гигиенических контейнерах из нержавеющей стали, а затем тщательно контролируют выработку молочной кислоты, температуру и pH. ^{[ необходима цитата ]}

Ферменты могут быть получены путем ферментации либо путем глубинной ферментации и/или путем твердофазной ферментации. ^[5] Под глубинной ферментацией подразумевается процесс, когда микроорганизмы контактируют со средой. В этом процессе необходим контакт с кислородом. Биореакторы/ферментеры, которые используются для массового производства продукта, могут хранить до 500 кубических метров в объеме. Твердофазная ферментация менее распространена, чем глубинная ферментация, но имеет много преимуществ. Меньше необходимости в стерильности среды, поскольку в ней меньше воды, выше стабильность и концентрация конечного продукта. ^{[5] Синтез} инсулина осуществляется посредством процесса ферментации и использования рекомбинантных E.coli или дрожжей для производства человеческого инсулина, также называемого хумулином .

Спрос на сельскохозяйственную продукцию постоянно растет из-за необходимости в различных удобрениях и пестицидах. Существуют долгосрочные последствия чрезмерного использования химических удобрений и пестицидов. Из-за чрезмерного использования химических удобрений и пестицидов почва становится бесплодной и не пригодной для выращивания сельскохозяйственных культур. В этом отношении на помощь приходят биоудобрения, биопестициды и органическое земледелие.

Биопестицид — это пестицид, полученный из живого организма или природных веществ. Биохимические пестициды также могут быть получены из природных веществ, которые могут контролировать популяции вредителей в нетоксичном веществе. ^[6] Примером биохимического пестицида являются инсектициды на основе чеснока и перца, они работают, отпугивая насекомых от желаемого места. Микробные пестициды, обычно вирус, бактерия или грибок, используются для контроля популяций вредителей более специфическим образом. ^[6] Наиболее часто используемым микробом для производства микробных биопестицидов является Bacillus thuringiensis , также известный как Bt. Эта спорообразующая бактерия производит дельта-эндотоксины, в которых она заставляет насекомое или вредителя прекратить питаться урожаем или растением, потому что эндотоксин разрушает слизистую оболочку пищеварительной системы.

Синтез аминокислот и органических растворителей также может быть осуществлен с использованием микробов. Синтез незаменимых аминокислот, таких как L-метионин, L-лизин, L-триптофан и заменимая аминокислота L-глутаминовая кислота, сегодня используются в основном в кормовой, пищевой и фармацевтической промышленности. Производство этих аминокислот происходит благодаря Corynebacterium glutamicum и ферментации. C.glutamicum был разработан для производства L-лизина и L-глутаминовой кислоты в больших количествах. ^[7] L-глутаминовая кислота имела высокий спрос на производство, 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 техники глубинной ферментации с использованием C.glutamicum. L-лизин изначально производился из диаминопимелиновой кислоты (DAP) E.coli , но после того, как был открыт C.glutamicum для производства L-глутаминовой кислоты. ^[7] Этот организм и другие автотрофы были позже 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 пациентов и иногда используется для лечения вирусных инфекций. L-триптофан также производится путем ферментации и Corynebacterium и E.coli, хотя производство не такое большое, как у остальных аминокислот, он все еще производится в фармацевтических целях, 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, что было произведено с использованием бактерий, поскольку достижение необходимой хиральности продуктов легко достигается с помощью живых систем. ^[8] Ферментация растворителей использует ряд видов бактерий Clostridia . Ферментация растворителей сначала была не такой продуктивной, как сейчас. 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 для достижения более высокого выхода этих растворителей. Эти штаммы Clostridia были преобразованы, чтобы иметь дополнительные копии генов ферментов, необходимых для производства растворителя, а также быть более устойчивыми к более высоким концентрациям производимого растворителя, поскольку эти бактерии имеют ряд продуктов, в которых они могут выживать до того, как окружающая среда станет токсичной. ^[9] Получение большего количества штаммов, которые могут использовать другие субстраты, также было еще одним способом повышения продуктивности этих бактерий. ^[9]