В тази книга се разглеждат теоретичните основи на ферметационните процеси, различните конструкции биореактори, методите за промишлено култивиране на продуцентите на биопродукти, технологичните схеми за извличане на целевия продукт от културалната течност и получаването му в чисто състояние и др. Особено внимание е отделено на производството на тези биопродукти, които имат важно значение за нашата страна и за които у нас е изграден специален клон на промишлеността (протеини, аминокиселини, ензими, антибиотици, органични киселини, инсектициди, хранителни продукти и др.).
Книгата е предназначена за студентите от специалност „Екология и опазване на околната среда" от факултета МСС при Русенския университет „Ангел Кънчев", но може да се използва и от студенти от други университети, които слушат лекции по биотехнология. Тя представлява определен интерес и за специалисти, които работят в областта на биотехно-логичните производства и желаят да повишат квалификацията си.
***
СЪДЪРЖАНИЕ
ПРЕДГОВОР / 9
ВЪВЕДЕНИЕ / 11
УВОД / 13
СЪЩНОСТ И КЛАСИФИКАЦИЯ НА БИОТЕХНОЛОГИЧНИТЕ ПРОИЗВОДСТВА / 13
Част I. ОСНОВИ НА ФЕРМЕНТАЦИОННИТЕ БИОТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОИЗВОДСТВА / 17
Глава 1. ПРИНЦИПНА СХЕМА ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА БИОПРОДУКТИ / 17
1.1. Общи сведения / 17
1.2. Обща схема за производство на биопродукти / 17
Глава 2. БИОЛОГИЧНИ АГЕНТИ / 20
2.1. Традиционни биоагенти / 20
2.1.1. Дрождите като биологични агенти / 20
2.1.2. Плесените като биологични агенти / 21
2.1.3. Бактериите като биологични агенти / 22
2.1.4. Актиномицетите като биологични агенти / 23
2.1.5. Основни изисквания към промишлените микроорганизми / 23
2.2. Нетрадиционни биоагенти / 24
2.3. Класификация на биопродуктите, синтезирани от промишлени микроорганизми / 26
Глава 3. СУБСТРАТИ ЗА ПРИГОТВЯНЕ НА ФЕРМЕНТАЦИОННИ СРЕДИ / 28
Глава 4. ФЕРМЕНТАЦИОННИ ХРАНИТЕЛНИ СРЕДИ / 31
4.2. Видове хранителни среди /31
4.2. Изисквания към състава на хранителните среди /31
4.2.1. Източници на въглерод / 32
4.2.2. Източници на азот / 32
4.2.3. Източници на макроелементи / 33
4.3. Принципи за подбор на оптимален състав на хранителна среда / 33
4.4. Транспорт и дозиране на компонентите на хранителни среди / 33
4.5. Приготвяне на течни хранителни среди / 34
Глава 5. СТЕРИЛИЗАЦИЯ НА ХРАНИТЕЛНИТЕ СРЕДИ, УРЕДИТЕ И АПАРАТИТЕ / 35
5.1. Топлинна стерилизация / 35
5.2. Стерилизация с химични средства (дезинфекция) / 37
5.3. Стерилизация чрез облъчване / 38
5.4. Стерилизация чрез филтриране / 39
5.5. Технически аспекти на стерилизацията на хранителните среди / 39
5.6. Дозиране на течни хранителни среди, пеногасители, разтвори за коригиране на рН и пяна / 41
Глава 6. ПРЕЧИСТВАНЕ И СТЕРИЛИЗАЦИЯ НА ВЪЗДУХА / 42
6.1. Пречистване и стерилизация на въздуха при повърхностно култивиране / 42
6.2. Пречистване и стерилизация на въздуха при дълбочинно култивиране / 42
6.3. Пречистване и стерилизация на въздуха в производствените помещения / 46
Глава 7. ПРОИЗВОДСТВО НА ПОСЕВЕН МАТЕРИАЛ И СЪХРАНЯВАНЕ НА ПРОМИШЛЕНИТЕ ЩАМОВЕ ОТ МИКРООРГАНИЗМИ / 46
7.1. Получаване на вегетативен посевен материал / 46
7.2. Изолиране на промишлени микроорганизми и клетки / 48
7.3. Съхраняване на производствените щамове / 50
Глава 8. ОСНОВНИ МЕТОДИ ЗА КУЛТИВИРАНЕ НА ПРОМИШЛЕНИ МИКРООРГАНИЗМИ / 54
8.1. Повърхностен метод за култивиране / 54
8.2. Дълбочинен метод за култивиране / 56
8.3. Периодично и непрекъснато култивиране / 56
Глава 9. ФЕРМЕНТАЦИЯ И НЕЙНИТЕ ЕТАПИ. АПАРАТИ ЗА ПОВЪРХНОСТНО И ДЪЛБОЧИННО КУЛТИВИРАНЕ /58
9.1. Същност и етапи на ферментацията / 58
9.2. Биореактори (ферментатори) / 59
9.2.1. Класификация на биореакторите / 59
9.2.2. Конструктивни особености на лабораторните биореактори / 59
9.2.3. Производствени биореактори / 63
9.2.4. Биореактори за дълбочинни технологии (аеробна ферментация) / 63
9.2.4.1. Биореактори с механични системи за разбъркване / 63
9.2.4.2. Биореактори с пневматични системи за разбъркване / 68
9.2.5. Принципи за избор на биореактори / 73
9.2.6. Съвременни тенденции в развитието на биореакторите / 75
Глава 10.ФАКТОРИ, ОКАЗВАЩИ ВЛИЯНИЕ НА ФЕРМЕНТАЦИОННИЯ ПРОЦЕС / 76
10.1. Температура на култивиране / 76
10.2. рН на ферментационната течност / 76
10.3. Аериране и разбъркване на ферментационната среда / 77
10.3.1. Теоретични основи на аерирането (снабдяването с кислород) / 77
10.3.2. Теоретични основи на разбъркването на културалната течност / 82
10.3.3. Някои аспекти на аерирането и разбъркването па културалната (ферментационната) течност / 84
10.3.4. Нарушаване на биотехнологичиите процеси при коитамициране па промишлената култура / 86
Глава 11. КИНЕТИКА НА РАЗВИТИЕТО НА ПРОМИШЛЕНИТЕ МИКРООРГАНИЗМИ / 88
11.1. Закономерности при прекъснато култивиране / 88
11.2. Закономерности при непрекъснато култивиране / 92
11.3. Закономерности при синтезата на биопродукти / 94
Глава 12.РАЗДЕЛЯНЕ НА БИОМАСАТА И КУЛТУРАЛНАТА ТЕЧНОСТ / 96
12.1. Получаваме на микробни концентрати / 96
12.2. Отделяне на биомасата и неразтворимите материали от течната фаза / 98
12.3. Дезинтеграция на биомасата / 105
Глава 13.ИЗОЛИРАНЕ И ПРЕЧИСТВАНЕ НА ЦЕЛЕВИЯ ПРОДУКТ/106
13.1. Изолиране чрез екстракция / 106
13.2. Изолиране чрез утаяване / 109
13.3. Изолиране чрез йонообменни методи / 110
13.4. Други методи за разделяне /112
13.5. Кристализация и сушене /114
Глава 14.КОНТРОЛ НА БИОТЕХНОЛОГИЧИИТЕ ПРОИЗВОДСТВА / 117
14.1. Технологичен контрол /117
14.2. Биологичен контрол / 118
14.3. Микробиологичен контрол / 119
14.4. Фармакологичен контрол / 120
14.5. Критерии за оценка на биотехнологичиите процеси / 122
Глава 15.ГЕНЕТИКА И СЕЛЕКЦИЯ НА ПРОМИШЛЕНИТЕ МИКРООРГАНИЗМИ / 126
15.1. Естествена и индуцирана изменчивост. Мутации и мутагепи / 126
15.2. Други методи за повишаване активността на промишлените щамове / 129
ЧАСТ II. ПРОИЗВОДСТВО НА НЯКОИ ПО-ВАЖНИ БИОПРОДУКТИ / 131
Глава 16. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА БЕЛТЪК ОТ ЕДНОКЛЕТЪЧНИ ОРГАНИЗМИ /131
16.1. Белтъчният проблем и микроорганизмите / 131
16.2. Синтеза на дрождев белтък /131
16.2.1. Производство на фуражни дрожди /132
16.2.2. Производство на хлебни дрожди (хлебна мая) / 140
16.3. ПРОИЗВОДСТВО НА ГЪБЕН МИЦЕЛ / 144
16.4. Синтез на белтък от бактерии / 147
16.5. Производство на микроводорасли (алги) / 148
16.5.1. Общи сведения / 148
16.5.2. Продуценти па белтък / 148
16.5.3. Технологични схеми / 149
16.5.4. Приложение на микроводораслите / 150
16.6. Хранителна ценност и перспективи на микробния белтък / 152
Глава 17.БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА АМИНОКИСЕЛИНИ / 152
17.1. Общи сведения / 152
17.2. Методи за производство на аминокиселини и биосинтеза / 153
17.3. Критерии за оценка на биотехнологичните производства па аминокиселините / 154
17.4. Биотехпологичпо производство на Е-глутаминова киселина / 155
17.5. Биотехпологичпо производство на Ь-лизин / 158
Глава 18. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ЕНЗИМИ / 162
18.1. Общи сведения / 162
18.2. Източници на суровини за получаване на ензими / 163
18.3. Производствени процеси / 164
18.3.1. Получаване на ензимни препарати от твърдофазови култури / 164
18.3.2. Получаване на ензими от дълбочинни култури / 165
18.4. Приложение на ензимите / 172
Глава 19.ИМОБИЛИЗИРАНИ ЕНЗИМИ / 175
19.1. Общи сведения / 175
19.2. Носители/176
19.3. Свързващи агенти / 177
19.4. Методи за имобилизиране на ензими / 177
19.5. Свойства на имобилизираните ензими / 183
19.6. Ензимни реактори и биотехнологии с имобилизирани ензими / 184
Глава 20.ИМОБИЛИЗИРАНИ КЛЕТКИ ОТ МИКРООРГАНИЗМИ / 189
20.1. Общи сведения / 189
20.2. Методи за имобилизиране на микробни клетки / 189
20.3. Биотехнологии с имобилизирани клетки /191
Глава 21. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА АНТИБИОТИЦИ И ПРОБИОТИЦИ / 196
21.1. Определение на понятието „антибиотик" /196
21.2. Микроорганизми-продуценти на антибиотици / 197
21.3. Механизъм на действие па антибиотиците / 197
21.4. Химична модификация на природните антиботици / 199
21.5. Класификация на антибиотиците / 199
21.6. Основни технологични етапи при производството на антибиотици / 204
21.7. Приложение на антибиотиците / 209
21.8. Пробиотици / 211
Глава 22. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ОРГАНИЧНИ КИСЕЛИНИ / 214
22.1. Общи сведения и приложение /214
22.2. Биосинтеза и методи за получаване /214
22.3. Биотехнологично производство на лимонена киселина / 215
22.4. Особености при биотехнологичното производство на итаконова киселина /221
22.5. Особености при биотехнологичното производство на млечна киселина / 222
22.6. Особености мри биотехнологичното производство на глюконова киселина / 224
Глава 23.БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ПОЛИЗАХАРИДИ И ЗАХАРИ / 225
23.1. Производство на хомополизахариди / 226
23.1.1. Общ механизъм на биосинтезата / 226
23.1.2. Декстран / 226
23.1.3. Леван (фруктозан) / 232
23.1.4. Глюкани / 233
23.1.5. Бактерийна целулоза / 233
23.2. Производство па хетерополизахариди / 233
23.2.1. Ксантан (ксантаиова смола) / 233
23.2.2. Фосфомапан / 235
23.2.3. Склероглюкап / 235
23.2.4. Пулулан / 235
23.2.5. Курдлан / 236
23.3. Биотехнологично производство на захари / 236
Глава 24. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ОРГАНИЧНИ РАЗТВОРИТЕЛИ / 237
24.1. Производство на етилов алкохол / 237
24.2. Производство на глицерин / 241
24.3. Ацетон-бутилова ферментация / 243
Глава 25. ПРОИЗВОДСТВО НА АЛКАЛОИДИ / 247
Глава 26. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ВАКСИНИ И ИНСУЛИН / 252
26.1. Биотехпологичпо производство на ваксини / 252
26.1.1. Традиционни (класически) ваксини / 252
26.1.2. Съвременни ваксини / 258
26.1.3. Основни изисквания към ваксините / 259 26.2. Получаване на инсулин / 259
Глава 27. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ХРАНИТЕЛНИ ПРОДУКТИ / 262
27.1. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА МЛЕЧНИ ПРОДУКТИ / 262
27.1.1. Общи сведения за млечните продукти / 262
27.1.2. Производство на българско кисело мляко / 263
27.1.3. Производство на сирене / 264
27.2. БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА МЕСНИ ПРОДУКТИ / 268
27.2.1. Производство на малотрайни варено-пушени колбаси / 268
27.2.2. Производство на кренвирши / 270
27.2.3. Производство на трайни варено-пушени колбаси / 271
27.2.4. Производство на сурово-сушени и сурово-пушени колбаси / 273
27.2.5. Производство и приложение на закваски (стартерни култури) / 274
27.3. Хигиенни аспекти при производството на месни продукти / 278
27.3.1. Въведение / 278
27.3.2. Особено опасни инфекции / 278
27.3.3. Контрол на водата и вредителите / 279
27.3.4. Контрол на хигиената на работещите и почистването на оборудването / 280
27.3.5. Контрол на стерилизацията и дезинфекцията / 280
27.3.6. Медицински контрол на работниците и специалистите / 281
Глава 28.БИОТЕХНОЛОГИЧНО ПРОИЗВОДСТВО НА ПРЕПАРАТИ ЗА РАСТИТЕЛНА ЗАЩИТА И БАКТЕРИЙНИ ТОРОВЕ / 281
28.1. Микробна биосинтеза на инсектициди / 281
28.1.1. Бактерийни инсектициди / 283
28.1.2. Вирусни инсектици / 287
28.1.3. Гъбни инсектициди / 289
28.2. Бактерийни торове / 290
28.2.1. Нитрагин / 290
28.2.2. Азотобактерин / 293
28.2.3. Фосфоробактерин / 295
28.2.4. Бактериен тор АМБ / 296
Глава 29. РАСТИТЕЛНИ БИОТЕХНОЛОГИИ / 297
29.1. Въведение / 297
29.2. Тъканни и клетъчни култури от растения / 298
29.2.1. Определение и историческо развитие на метода на тъканните култури / 298
29.3. Суспендирани култури (дълбочинно култивиране на растителни клетки в течни хранителни среди) / 302
29.3.1. Получаване на суспендирани култури / 302
29.3.2. Производство на полезни съединения посредством растителни суспендирани култури / 303
29.4. Получаване на хаплоидни растения / 304
29.5. Протопласти / 306
29.5.1. Изолиране на протопласти / 306
29.5.2. Култивиране на протопласти / 307
29.5.2.1. Методи за култивиране на протопласти / 307
29.5.2.2. Условия за култивниране на протопласти / 308
29.5.2.3. Регенерация на клетки, клетъчни култури и растения от протопласти / 309
29.5.3. Сливане на протопласти / 310
29.5.3.1. Индукция на протопластното сливане / 311
29.5.3.2. Механизъм на протопластното сливане /311
29.5.4. Соматична хибридизация (клетъчно сливане) /311
29.5.5. Пренос на клетъчни органели / 313
Глава 30. МИКРОБИОЛОГИЧНО ИЗЛУГВАНЕ НА МЕТАЛИ / 314
30.1. Историческа справка / 314
30.2. Същност на микробиологичното излугване / 315
30.3. Излугващи микроорганизми / 315
30.4. Промишлено приложение на микробиологичното излугване / 318
30.4.1. Излугване на медни отвали / 318
30.4.2. Излугване на уран / 319
30.5. Биогеотехнологии за извличане на метали / 320
30.5.1. Инженерни проблеми / 320
30.5.2. Недостатъци на биогеотехнологиите / 322
30.5.3. Икономическа ефективност на микробиологичното излугване и перспективи за неговото приложение / 322
30.6. Трансформация, натрупване и имобилизация на метали от микроорганизми / 323
30.6.1. Преминаване в летлива форма / 323
30.6.2. Извънклетъчно утаяване / 324
30.6.3. Извънклетъчно комплексообразуване / 325
30.6.4. Вътреклетъчно и извънклетъчно натрупване на метали от микроорганизми / 327
Глава 31. БИОЕНЕРГЕТИКА /327
31.1. Въведение / 327
31.2. Източници на биомаса / 328
31.3. Използване на слънчевата енергия / 329
31.4. Производство на въглеводороди / 329
31.5. Фототрофни водородобразуващи микроорганизми / 330
31.5.1. Биофотолиза / 331
31.5.2. Биокаталитични моделни системи / 331
31.5.3. Системи на основата на хлоропласти, нискомолекулен преносител на електорни (медиатор) и бактерийна хидрогеназа / 332
31.5.4. Системи на основата на микробни клетки / 333
31.5.5. Практически аспекти за използване на водородобразуващите микроорганизми и биофотолизата / 333
31.6. Превръщане на слънчевата енергия в електрохимична / 335
31.7. Биотопливни елементи и други биоелектрохимични устройства / 336
РЕЗЮМЕ НА НЕМСКИ ЕЗИК / 339
ЛИТЕРАТУРА / 340
КРАТЪК ТЕРМИНОЛОГИЧЕН РЕЧНИК / 343
