المحتوى
اعتبرت زراعة الكائنات الحية الدقيقة على نطاق واسع كمصدر مباشر للبروتين لتغذية الإنسان والحيوان وسيلة لحل مشكلة نقص الغذاء في ألمانيا بالفعل خلال الحرب العالمية الأولى. تم تطوير العمليات التكنولوجية لزراعة خميرة البيرة ، والتي ، بعد المعالجة والتجفيف ، تمت إضافتها إلى الحساء والنقانق. خلال الحرب العالمية الثانية ، كانت هذه العمليات راسخة بالفعل.
نشأ تعبير "بروتينات الكائنات وحيدة الخلية" في الستينيات. فيما يتعلق بالكتلة الحيوية البكتيرية (الخميرة بشكل أساسي) ، والتي تستخدم كمكوِّن غذائي للحيوانات والبشر. وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى حقيقة أن الوسط الغذائي لزراعة البكتيريا غالبًا ما يكون نفايات زراعية: كعكة بنجر السكر في إنتاج السكر ، وكعكة عباد الشمس في إنتاج الزيت النباتي ، ومصل اللبن في إنتاج الجبن ، ورقائق الخشب ونشارة الخشب ، إلخ. .
اندلع الاهتمام بهذه المشكلة بعد نشر نتائج البحث التي تظهر إمكانية إنتاج مثل هذه البروتينات المركزة على أساس الهيدروكربونات. قامت شركات النفط بتمويل تطوير هذه الدراسات ليس فقط بسبب استخدام الهيدروكربونات ، ولكن أيضًا بسبب نتائج اختبارات الغذاء المواتية وآفاق التسويق.
تم تطوير أول مصنع مركزات بروتين واسع النطاق من خلال مشروع مشترك بين شركة بريتيش بتروليوم (المملكة المتحدة) وإيتالبروتين (إيطاليا) في عام 1975 ، بطاقة 100000 طن / سنة ؛ كانت المادة الخام عبارة عن بارافينات عادية. كما تناولت اليابان هذه المشكلة ، حيث تم بناء 8 مصانع بطاقة 1500 طن من البروتين / سنة. ومع ذلك ، فإن الاهتمام بإنتاج البروتين في الكائنات وحيدة الخلية في السبعينيات. انخفضت قليلا؛ يعود ذلك جزئيًا إلى الوضع الزراعي الملائم لتلك السنوات ، ولكن بشكل أساسي بسبب التقنيات غير الكاملة التي لا تزيل بعض المواد السامة من المنتج النهائي.
في الثمانينيات. طورت شركة "Hoechst" الألمانية ، التي تبرز في السوق لتقنياتها العالية ، عمليات للحصول على مركزات بروتين عالية الجودة. في الثمانينيات. كان اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أحد منتجي البروتين الرائدين في العالم بقاعدة المواد الخام التي لا تنضب. تم بناء مصنع في فنلندا باستخدام Paecilomyces في مياه الصرف السائلة من الكبريتات من مصانع الورق ؛ قدرة المصنع - 10000 طن بروتين / سنة.
في دول المجموعة الاقتصادية الأوروبية ، يتم إنتاج حوالي 25 مليون طن من مركزات البروتين سنويًا. هذه الأرقام تتحدث عن ربحية الشركات. أصبحت علف الماشية باهظة الثمن بسبب حيازات الأراضي المحدودة ولعدد من الأسباب الأخرى. تتمتع بروتينات الكائنات أحادية الخلية بمزايا هائلة: معدل تكاثر مرتفع ، وتوافر المواد الخام ، وحل مشاكل التخلص من النفايات في العديد من المؤسسات ، وما إلى ذلك.
بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي البروتينات على تركيبة ثابتة وقابلة للتكرار ، ومن السهل تقويتها وإضافة العناصر الدقيقة اللازمة ؛ كما يسهل صنعها على شكل حبيبات أو أقراص كما يسهل تخزينها أكثر من النباتات أو العلف الآخر.
ومع ذلك ، لا يعتبر مصنعو البروتين منتجاتهم بديلاً للبروتين في النظام الغذائي للحيوانات: تعمل مركزات البروتين كإضافات للأعلاف ، مما يجعلها أرخص وتحسن جودتها. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن إنتاج مكملات البروتين لا يتطور بالسرعة المتوقعة في الستينيات والسبعينيات.والحقيقة هي أن متطلبات سلامة التقنيات أصبحت أكثر صرامة ، والتي يجب أن تأخذ في الاعتبار نتائج جميع الاختبارات السمية والغذائية اللازمة.
يجب أن تكون حريصًا بشكل خاص على استخدام مركزات البروتين في تغذية الإنسان. ومع ذلك ، فإن استخدامها لحل مشكلة التغذية لسكان العالم ليس له بديل ، حيث تشير التوقعات إلى أن النمو السكاني لا يتناسب مع نمو المنتجات الغذائية. من الآمن أن نقول إن تطوير الكائنات الحية الدقيقة في تغذية الإنسان قد بدأ للتو.
بدأ استخدام الكائنات الحية الدقيقة في إنتاج منتجات البروتين قبل فترة طويلة من ظهور علم الأحياء الدقيقة. ويكفي أن نذكر جميع أنواع الجبن وكذلك المنتجات التي يتم الحصول عليها عن طريق تخمير فول الصويا. البروتين هو الأساس الغذائي في الحالتين الأولى والثانية. أثناء تطوير هذه المنتجات ، بمشاركة الميكروبات ، يحدث تغيير عميق في خصائص المواد الخام المحتوية على البروتين.
والنتيجة هي منتجات غذائية يمكن تخزينها لفترة أطول (الجبن) أو أكثر ملاءمة للاستهلاك (خثارة الفاصوليا). تلعب الميكروبات دورًا في إنتاج بعض منتجات اللحوم للتخزين. لذلك ، في تصنيع بعض أنواع النقانق ، يتم استخدام التخمير الحمضي ، عادة بمشاركة مجموعة من بكتيريا حمض اللاكتيك. يساهم الحمض الناتج في الحفاظ على المنتج ويساهم في تكوين طعمه الخاص.
ربما يحد هذا من استخدام الكائنات الحية الدقيقة في معالجة البروتينات. إمكانيات التكنولوجيا الحيوية الحديثة في هذه الصناعات صغيرة ، باستثناء صناعة الجبن. شيء آخر هو زراعة الكتلة الميكروبية وتجميعها وتحويلها إلى غذاء: وهنا يمكن للتكنولوجيا الحيوية أن تتجلى في مجملها.
إنتاج البروتين للكائنات وحيدة الخلية
بالنسبة للعديد من المؤشرات المهمة ، يمكن أن يكون للكتلة الحيوية للكائنات الدقيقة قيمة غذائية عالية جدًا. إلى حد كبير ، يتم تحديد هذه القيمة بواسطة البروتينات: في معظم الأنواع ، تشكل نسبة كبيرة من الكتلة الجافة للخلايا. لعقود من الزمان ، تمت مناقشة ودراسة احتمالات زيادة حصة البروتين الميكروبي في التوازن الكلي للبروتين المنتج في جميع أنحاء العالم.
ينطوي إنتاج هذا البروتين على الزراعة على نطاق واسع لبعض الكائنات الحية الدقيقة التي يتم جمعها ومعالجتها في الغذاء. لتحقيق أقصى تحول ممكن للركيزة إلى كتلة حيوية ميكروبية ، يلزم اتباع نهج متعدد الأوجه. إن زراعة الميكروبات للطعام أمر مهم لسببين. أولاً ، تنمو بشكل أسرع بكثير من النباتات والحيوانات: يتم قياس الوقت لمضاعفة أعدادها بالساعات. هذا يقصر الوقت المستغرق لإنتاج كمية معينة من الطعام.
ثانيًا ، اعتمادًا على الكائنات الحية الدقيقة المزروعة ، يمكن استخدام أنواع مختلفة من المواد الخام كركائز. بالنسبة للركائز ، يمكنك هنا الذهاب في اتجاهين رئيسيين: معالجة منتجات النفايات منخفضة الجودة أو التركيز على الكربوهيدرات المتاحة بسهولة والحصول على الكتلة الحيوية الميكروبية التي تحتوي على بروتين عالي الجودة منها.
الحصول على البروتين الجرثومي على الميثانول
الميزة الرئيسية لهذه الركيزة هي نقاوتها العالية وعدم وجود شوائب مسرطنة ، وقابلية جيدة للذوبان في الماء ، وتقلبات عالية ، مما يجعل من السهل إزالة بقاياها من المنتج النهائي. لا تحتوي الكتلة الحيوية التي يتم الحصول عليها من الميثانول على شوائب غير مرغوب فيها ، مما يجعل من الممكن استبعاد مرحلة التنقية من المخطط التكنولوجي.
ومع ذلك ، فمن الضروري أن تؤخذ في الاعتبار أثناء العملية ميزات الميثانول مثل القابلية للاشتعال وإمكانية تكوين مخاليط متفجرة مع الهواء.
تمت دراسة سلالات الخميرة والبكتيريا كمنتجين يستخدمون الميثانول في التمثيل الغذائي البناء.من الخميرة ، المبيضات boidinii ، Hansenula polymorpha و Piehia pastoris موصى بها للإنتاج ، حيث تسمح الظروف المثلى (درجة الحرارة 34-37 درجة مئوية ، الرقم الهيدروجيني 4.2-4.6) بتنفيذ العملية بمعامل اقتصادي لاستيعاب ركيزة تصل إلى 0.40 بتدفق سريع في حدود 0.12-0.16 ساعة -1.
من بين الثقافات البكتيرية ، يتم استخدام Methylomonas clara و Pseudomonas rosea وغيرها ، القادرة على التطور عند درجة حرارة 32-34 درجة مئوية ، ودرجة الحموضة 6.0-6.4 مع معامل اقتصادي لاستيعاب الركيزة يصل إلى 0.55 بمعدل تدفق يصل إلى 0.5 ساعة -1.
ترجع ميزات عملية الزراعة إلى حد كبير إلى سلالة المنتج المستخدمة (الخميرة أو البكتيريا) وظروف التعقيم. يعرض عدد من الشركات الأجنبية استخدام سلالات الخميرة والقيام بالزراعة في حالة عدم وجود عقم صارم. في هذه الحالة ، تتم العملية التكنولوجية في جهاز تخمير من النوع المقذوف بإنتاجية 75 طنًا من البروتين يوميًا ، والاستهلاك المحدد للميثانول هو 2.5 طن / طن من البروتين.
عند زراعة الخميرة تحت ظروف معقمة ، يوصى باستخدام أجهزة من النوع العمودي أو من نوع airliphite بسعة 75-100 طن من البروتين / اليوم مع استهلاك ميثانول يصل إلى 2.63 طن / طن من البروتين. في كلتا الحالتين ، تتم عملية الزراعة في مرحلة واحدة ، دون مرحلة "النضج" ، مع تركيز منخفض من الركيزة (8-10 جم / لتر).
في عدد من البلدان ، يتم استخدام السلالات البكتيرية كمنتجين ، ويتم تنفيذ العملية في ظل ظروف معقمة في طائرة الهواء أو أجهزة التخمير النفاثة بسعة 100-300 طن / يوم واستهلاك الميثانول يصل إلى 2 ، 3 طن / طن من بروتين. يتم التخمير في خطوة واحدة بتركيزات كحول منخفضة (تصل إلى 12 جم / لتر) ، مع درجة عالية من استخدام الميثانول.
الأكثر واعدة من حيث تصميمها هو جهاز التخمير النفاث التابع لمعهد الكيمياء التقنية (ألمانيا). يتكون المخمر الذي يبلغ حجمه 1000 م من أقسام تقع واحدة فوق الأخرى ومترابطة بواسطة فيضان العمود.
يتم توفير وسيط التخمير من القسم السفلي للمخمر عبر خط أنابيب الضغط عن طريق مضخات دوران الطرد المركزي إلى فائض العمود العلوي ، والذي يمر عبره إلى القسم السفلي ، أثناء امتصاص الهواء من قناة الغاز. وهكذا ، يتدفق الوسط من قسم إلى آخر ، ويمتص باستمرار أجزاء جديدة من الهواء. توفر النفاثات المتساقطة في فيضان المناجم تهوية مكثفة للوسط.
يتم توفير وسيط المغذيات باستمرار إلى منطقة فائض العمود العلوي ، ويتم إزالة المعلق الميكروبي من الدوائر البعيدة. في مرحلة العزل لجميع أنواع المنتجين ، يتم توفير فصل الحبيبات من أجل الحصول على منتج نهائي في شكل حبيبات.
تحتوي خميرة العلف التي يتم الحصول عليها على الميثانول على التركيب التالي (٪): بروتين خام 56-62 ؛ الدهون 5-6 ؛ الرماد 7-11 ؛ رطوبة 8-10 ؛ الأحماض النووية 5-6. تتميز الكتلة الحيوية البكتيرية بالتركيب التالي (٪): البروتين الخام 70-74 ؛ الدهون 7-9 ؛ الرماد 810 ؛ الأحماض النووية 10-1 ح ؛ الرطوبة 8-10.
بالإضافة إلى الميثانول ، يتم استخدام الإيثانول كمادة خام عالية الجودة ، والتي تتميز بسمية منخفضة وقابلية جيدة للذوبان في الماء وكمية صغيرة من الشوائب.
يمكن استخدام الخميرة (Candida utilis، Sacharomyces lambica، Hansenula anomala، Acinetobacter calcoaceticus) ككائنات دقيقة تنتج البروتين على الكحول الإيثيلي كمصدر وحيد للكربون. تتم عملية الزراعة في مرحلة واحدة في مخمرات ذات خصائص نقل كتلة عالية بتركيز إيثانول لا يزيد عن 15 جم / لتر.
تحتوي الخميرة المزروعة في الإيثانول على (٪): بروتين خام - 60-62 ؛ الدهون - 2-4 ؛ الرماد - 8-10 ؛ الرطوبة - ما يصل إلى 10.
الحصول على مواد بروتينية من المواد الخام الكربوهيدراتية
تاريخياً ، كانت إحدى الركائز الأولى المستخدمة في الحصول على الكتلة الحيوية للأعلاف عبارة عن محللات نفايات النباتات ، ومحلول ما قبل الجفاف ، ومحلول الكبريتات - نفايات صناعة اللب والورق.
كما زاد الاهتمام بالمواد الخام الكربوهيدراتية كمصدر متجدد رئيسي للكربون بشكل كبير من وجهة نظر بيئية ، حيث يمكن أن تكون بمثابة الأساس لإنشاء تقنية خالية من النفايات لمعالجة منتجات المصانع.
نظرًا لحقيقة أن التحلل المائي عبارة عن ركيزة معقدة تتكون من خليط من السداسي والبنتوز ، فإن أنواع الخمائر C.الاستوائية ، والتي ، جنبًا إلى جنب مع السداسيات ، قادرة على استيعاب البنتوز ، وكذلك نقل وجود فورفورال في الوسط.
يختلف تكوين وسط المغذيات ، في حالة الزراعة على خام التغذية الهيدروكربوني ، اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة في زراعة الكائنات الحية الدقيقة على الركيزة الهيدروكربونية. يوجد في التحلل المائي وغسول الكبريتات كمية صغيرة من جميع العناصر الدقيقة تقريبًا اللازمة لنمو الخميرة. يتم إدخال الكميات المفقودة من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم في شكل محلول عام من أملاح الأموفوس وكلوريد البوتاسيوم وكبريتات الأمونيوم.
يتم التخمير في أجهزة رفع الهواء من تصميم شركة Lefrancois-Marillet بحجم 320 و 600 متر مكعب. تتم عملية زراعة الخميرة في وضع مستمر عند درجة حموضة تبلغ 4.2-4.6. تتراوح درجة الحرارة المثلى من 30 إلى 40 درجة مئوية.
خميرة العلف التي يتم الحصول عليها عن طريق الزراعة على المواد الخام النباتية وسوائل الكبريتيت المائي لها التركيب التالي (٪): البروتين - 43-58 ؛ الدهون - 2.3-3.0 ؛ الكربوهيدرات - 11-23 ؛ الرماد - ما يصل إلى 11 ؛ الرطوبة - لا تزيد عن 10.
إحدى الركائز الواعدة في إنتاج الكتلة الحيوية للأعلاف هي التحلل المائي للجفت ، والتي تحتوي على كمية كبيرة من السكريات الأحادية والأحماض العضوية سهلة الهضم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إضافة كميات صغيرة فقط من السوبر فوسفات وكلوريد البوتاسيوم إلى وسط المغذيات. مصدر النيتروجين هو ماء الأمونيا.
من حيث الجودة ، فإن الكتلة الحيوية للأعلاف التي يتم الحصول عليها من تحلل الخث المائي تفوق الخميرة المزروعة على نفايات النبات.
إل. تيموشينكو ، م. تشوبيك
متطلبات ركائز المغذيات ،
المستخدمة في عمليات التكنولوجيا الحيوية. طبيعي >> صفة
المواد الخام من أصل نباتي. المخلفات
الصناعات المختلفة كمواد خام لعمليات التكنولوجيا الحيوية.
الركائز الكيميائية والبتروكيماوية المستخدمة
المواد الخام للتكنولوجيا الحيوية.
التكنولوجيا الحيوية الصناعية إنتاج بروتين الكائنات الحية الدقيقة
ركائز لزراعة الكائنات الحية الدقيقة من أجل الحصول على البروتين
تستخدم الكائنات الحية الدقيقة مجموعة متنوعة من الركائز كمصادر للمادة والطاقة - البارافينات العادية ومقطرات الزيت والغاز الطبيعي والكحوليات والمحللات النباتية والنفايات الصناعية.
لزراعة الكائنات الحية الدقيقة من أجل البروتين ، سيكون من الجيد أن يكون لديك ركيزة غنية بالكربون ، لكنها رخيصة الثمن. يتم استيفاء هذا المطلب بالكامل عن طريق البارافينات الزيتية العادية (غير الممنوحة). يمكن أن يصل عائد الكتلة الحيوية عند استخدامها إلى ما يصل إلى 100٪ من كتلة الركيزة. جودة المنتج تعتمد على نقاء البارافينات. عند استخدام البارافينات بدرجة كافية من التنقية ، يمكن استخدام كتلة الخميرة التي تم الحصول عليها بنجاح كمصدر إضافي للبروتين في النظم الغذائية الحيوانية. أول مصنع كبير لخميرة الأعلاف في العالم بطاقة 70 ألف طن سنويًا. تم إطلاقه في عام 1973 في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. كمادة خام ، تم استخدام الألكانات n المعزولة من الزيت وأنواع عديدة من الخميرة القادرة على النمو السريع على الهيدروكربونات: Candida maltosa و Candida guilliermondii و Candida lipolytica. في المستقبل ، كانت النفايات الناتجة عن تكرير النفط بمثابة المادة الخام الرئيسية لإنتاج بروتين الخميرة ، الذي نما بسرعة بحلول منتصف الثمانينيات. تجاوز المليون طن سنويًا ، وفي الاتحاد السوفياتي تلقى بروتين العلف ضعف ما هو عليه في جميع دول العالم الأخرى مجتمعة. ومع ذلك ، في المستقبل ، انخفض حجم إنتاج بروتين الخميرة من الهيدروكربونات الزيتية بشكل حاد. حدث هذا نتيجة للأزمة الاقتصادية في التسعينيات ، وبسبب عدد من المشاكل المحددة المرتبطة بهذا الإنتاج. أحدها هو الحاجة إلى تنظيف منتج العلف النهائي من بقايا الزيت التي لها خصائص مسرطنة.
توجد مناطق قليلة في بلدنا مناسبة لزراعة فول الصويا ، والتي تعد المصدر الرئيسي لمكملات البروتين. أنشئت لذلكإنتاج واسع النطاق لخميرة الأعلاف على البارافينات n... توجد عدة مصانع بطاقة من 70 إلى 240 ألف طن في السنة.تستخدم البارافينات المكررة السائلة كمواد خام.
يعتبر كحول الميثيل أحد مصادر الكربون الواعدة لزراعة منتجي البروتين عالي الجودة. يمكن الحصول عليها عن طريق التوليف الميكروبي على ركائز مثل الخشب والقش والنفايات البلدية. يعد استخدام الميثانول كركيزة أمرًا صعبًا بسبب تركيبته الكيميائية: يحتوي جزيء الميثانول على ذرة كربون واحدة ، بينما يتم تصنيع معظم المركبات العضوية من خلال جزيئات ثنائية الكربون. يمكن أن ينمو حوالي 25 نوعًا من الخميرة ، بما في ذلك Pichia polymorpha و Pichia anomala و Yarrowia lipolytica ، على الميثانول باعتباره المصدر الوحيد للكربون والطاقة. تعتبر البكتيريا من أفضل المنتجين على هذه الركيزة ، لأنها يمكن أن تنمو على الميثانول مع إضافة الأملاح المعدنية. تعتبر عمليات إنتاج البروتين القائمة على الميثانول اقتصادية للغاية. وفقًا لمخاوف ICI (بريطانيا العظمى) ، فإن تكلفة المنتج المنتج على الميثانول أقل بنسبة 10-15٪ من تكلفة إنتاج مماثل يعتمد على n-paraffins عالي النقاء. يتم الحصول على المنتجات عالية البروتين من الميثانول من قبل شركات من عدد من البلدان المتقدمة في العالم: بريطانيا العظمى ، السويد ، ألمانيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، إيطاليا. منتجي البروتين هم بكتيريا من جنس ميثيلوموناس. تعد زراعة البكتيريا الميثيلوتروفيكية مثل ميثيلوفيلوس ميثيلوتروفوس على الميثانول مفيدة لأنها تستخدم مركبات الكربون الواحد بكفاءة أكبر. عندما تنمو على الميثانول ، تنتج البكتيريا كتلة حيوية أكثر من الخميرة. يتم تحفيز أول تفاعل أكسدة للميثانول في الخميرة بواسطة أوكسيديز ، وفي بدائيات النوى ميثيلوتروفيك - بواسطة ديهيدروجينيز. يجري العمل في الهندسة الوراثية على قدم وساق لنقل جين نازعة هيدروجين الميثانول من البكتيريا إلى الخميرة. سيجمع هذا بين المزايا التكنولوجية للخميرة وفعالية نمو البكتيريا.
يؤدي استخدام الإيثانول كركيزة إلى التخلص من مشكلة تنقية الكتلة الحيوية من المنتجات الأيضية غير الطبيعية التي تحتوي على عدد فردي من ذرات الكربون. تكلفة هذا الإنتاج أعلى إلى حد ما. يتم إنتاج الكتلة الحيوية القائمة على الإيثانول في تشيكوسلوفاكيا وإسبانيا وألمانيا واليابان والولايات المتحدة الأمريكية.
في الولايات المتحدة الأمريكية ، واليابان ، وكندا ، وألمانيا ، وبريطانيا العظمى ، تم تطوير العمليات التكنولوجية لإنتاج البروتين باستخدام الغاز الطبيعي. يمكن أن يكون إنتاج الكتلة الحيوية في هذه الحالة 66٪ من وزن الركيزة. تستخدم هذه العملية ، التي تم تطويرها في المملكة المتحدة ، ثقافة مختلطة من بكتيريا الميثيلوموناس التي تستقلب الميثان ، و Hypomicrobium و Pseudomonas التي تستقلب الميثانول ، ونوعين من البكتيريا غير الميثيلية. تتميز الثقافة بمعدل نمو وإنتاجية مرتفعين. المزايا الرئيسية للميثان (بالمناسبة ، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي) هي التوافر ، التكلفة المنخفضة نسبيًا ، كفاءة التحويل العالية إلى الكتلة الحيوية عن طريق الكائنات الدقيقة المؤكسدة للميثان ، محتوى هام من البروتين في الكتلة الحيوية ، متوازن في تكوين الأحماض الأمينية. البكتيريا التي تنمو على الميثان تتحمل البيئات الحمضية ودرجات الحرارة المرتفعة جيدًا ، وبالتالي فهي مقاومة للعدوى.
الكربون المعدني - يمكن أن يكون ثاني أكسيد الكربون أيضًا ركيزة للتخليق الميكروبي. يتم تقليل الكربون المؤكسد في هذه الحالة بنجاح بواسطة الطحالب الدقيقة باستخدام الطاقة الشمسية والبكتيريا المؤكسدة للهيدروجين باستخدام الهيدروجين. يستخدم معلق الطحالب لتغذية الماشية. لتشغيل نباتات زراعة الطحالب ، يلزم وجود ظروف مناخية مستقرة - درجات حرارة هواء ثابتة وشدة ضوء الشمس.
يعتبر إنتاج البروتين بمساعدة البكتيريا المؤكسدة للهيدروجين ، والتي تتطور بسبب أكسدة الهيدروجين بواسطة الأكسجين الجوي ، هو الأكثر نجاحًا. تُستخدم الطاقة المنبعثة في هذه العملية لامتصاص ثاني أكسيد الكربون. كقاعدة عامة ، يتم استخدام بكتيريا جنس Hydrogenomonas للحصول على الكتلة الحيوية. في البداية ، نشأ الاهتمام بهم أثناء تطوير أنظمة دعم الحياة المغلقة ، ثم بدأوا في الدراسة من وجهة نظر استخدامها كمنتجين للبروتين عالي الجودة.في معهد علم الأحياء الدقيقة التابع لجامعة غوتنغن (ألمانيا) ، تم تطوير طريقة لزراعة البكتيريا المؤكسدة للهيدروجين ، حيث يمكن الحصول على 20 جم من المادة الجافة لكل 1 لتر من المعلق الخلوي. ربما في المستقبل ، ستصبح هذه البكتيريا المصدر الرئيسي للبروتينات الميكروبية الغذائية.
الكتلة الحيوية النباتية هي مصدر سهل الوصول إليه ورخيص إلى حد ما للكربوهيدرات لإنتاج البروتين الميكروبي. أي نبات يحتوي على مجموعة متنوعة من السكريات. السليلوز هو عديد السكاريد يتكون من جزيئات الجلوكوز. يتكون Hemicellulose من بقايا الأرابينوز والجالاكتوز والمانوز والفركتوز. تكمن المشكلة في أن عديدات السكاريد الخشبية مرتبطة بوحدات أوكسي فينيل بروبان جامدة من اللجنين ، وهو بوليمر غير قابل للتلف تقريبًا. لذلك ، يحدث التحلل المائي للخشب فقط في وجود محفز - حمض معدني وفي درجات حرارة عالية. في هذه الحالة ، تتشكل السكريات الأحادية - السداسي والبنتوز. تُزرع الخميرة على سائل يحتوي على جزء سكر من التحلل المائي. أثناء التحلل المائي للخشب بالحمض ، يتم تكوين عدد من المنتجات الثانوية (فورفورال ، ميلانين) ، وبسبب درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن أن يحدث كراميل السكريات. تتداخل هذه المواد مع النمو الطبيعي للخميرة ، ويتم فصلها عن التحلل المائي واستخدامها كلما أمكن ذلك. يتم استخدام سلالات المبيضات سكوتي و C. Tropis كمنتجين.
أكبر منتجي المواد الخام لصناعة التحلل المائي هم شركات النجارة ، التي تصل نفاياتها إلى عشرات الملايين من الأطنان سنويًا. لسوء الحظ ، لا يتم استخدام النفايات الناتجة عن إنتاج ألياف اللحاء (من الكتان والقنب) ، وإنتاج نشا البطاطس ، والتخمير ، والفواكه والخضروات ، وصناعات التعليب ، ولب البنجر بطريقة عقلانية أو لا تستخدم على الإطلاق.
تستحق طرق التحويل الحيوي المباشر لمنتجات التمثيل الضوئي ومشتقاتها إلى بروتين باستخدام الفطريات اهتمامًا خاصًا. هذه الكائنات ، بسبب وجود أنظمة إنزيمية قوية ، قادرة على استخدام ركائز نباتية معقدة دون معالجة مسبقة. يجري البحث بنشاط حول شروط التحويل البيولوجي للركائز النباتية إلى بروتين ميكروبي في الولايات المتحدة الأمريكية ، وكندا ، والهند ، وفنلندا ، والسويد ، وبريطانيا العظمى ، في بلدنا وبلدان أخرى من العالم. ومع ذلك ، هناك القليل من البيانات في الأدبيات حول الإنتاج واسع النطاق للبروتينات ذات الأصل الميكروبي. أشهرها وأكثرها تقدمًا في مرحلة التنفيذ الصناعي هي عملية "واترلو" التي تم تطويرها في جامعة واترلو في كندا. يمكن إجراء هذه العملية ، التي تعتمد على زراعة الفطريات المدمرة للسليلوز Chaetomium cellulolyticum ، في كل من الثقافة المغمورة وطريقة السطح. محتوى البروتين للمنتج النهائي (فطر عيش الغراب المجفف) هو 45٪. طورت الشركة الفنلندية "Tampella" التكنولوجيا ونظمت إنتاج منتج علف البروتين "Pekilo" على نفايات صناعة اللب والورق. يحتوي المنتج على ما يصل إلى 60٪ بروتين مع نسبة جيدة من الأحماض الأمينية وكمية كبيرة من فيتامينات ب.
في معظم البلدان المنتجة للحليب ، تتمثل الطريقة التقليدية لاستخدام مصل اللبن في إطعام الحيوانات. درجة تحويل بروتين مصل اللبن إلى بروتين حيواني منخفضة جدًا (يلزم 1700 كجم من مصل اللبن لإنتاج 1 كجم من البروتين الحيواني). في السنوات العشر إلى الخمس عشرة الماضية ، تم عزل البروتينات عالية الجودة من مصل اللبن عن طريق الترشيح الفائق ، والذي يتم على أساسه تصنيع بدائل الحليب المجفف منزوع الدسم ومنتجات أخرى. يمكن استخدام المركزات كمضافات غذائية ومكونات لأغذية الأطفال. يستخدم مصل اللبن أيضًا لإنتاج سكر الحليب - اللاكتوز ، والذي يستخدم في الصناعات الغذائية والطبية. مع كل هذا ، فإن حجم المعالجة الصناعية لمصل اللبن هو 50-60٪ من إجمالي إنتاجها. وبالتالي ، هناك خسارة كبيرة في بروتين الحليب واللاكتوز الأكثر قيمة. علاوة على ذلك ، هناك مشكلة التخلص من النفايات ، حيث أن عملية التحلل الطبيعي لمصل اللبن بطيئة للغاية.يمكن أن يعمل اللاكتوز بمصل اللبن كمصدر للطاقة لأنواع عديدة من الكائنات الحية الدقيقة ، كمادة خام لإنتاج منتجات التوليف الميكروبي (الأحماض العضوية والإنزيمات والكحوليات والفيتامينات) والكتلة الحيوية للبروتين. من بين جميع الكائنات الحية الدقيقة المعروفة ، تحتوي الخميرة على أعلى معدل تحويل لبروتين مصل اللبن إلى بروتين ميكروبي. تم العثور على القدرة على استيعاب اللاكتوز في حوالي 20٪ من جميع أنواع الخميرة المعروفة. تخمر الخميرة اللاكتوز أقل شيوعًا. تقويض اللاكتوز النشط هو سمة خاصة للخميرة من جنس Kluyveromyces. يمكن استخدام هذه الخميرة للحصول على بروتين العلف ، والإيثانول ، ومستحضرات بيتا جلوكوزيداز على مصل اللبن.
لأول مرة ، نمت الخميرة القائمة على مصل اللبن في ألمانيا. تم استخدام سلالات مختلفة من السكريات كمنتجين. تم تطوير طرق للحصول على المنتجات الميكروبية على أساس استخدام اللاكتوز كزراعة أحادية وخليط من الخميرة والبكتيريا. حاليًا ، يتم استخدام الخمائر من أجناس Candida و Trichosporon و Torulopsis كمنتجين. من حيث القيمة البيولوجية ، فإن مصل اللبن مع الخميرة المزروعة فيه يتجاوز بشكل كبير المادة الخام الأصلية ويمكن استخدامه كبديل للحليب. القائمة أعلاه للكائنات الدقيقة وعمليات الحصول على البروتين في الكائنات أحادية الخلية ليست شاملة. ومع ذلك ، فإن إمكانات هذه الصناعة الجديدة بعيدة كل البعد عن الاستغلال الكامل. بالإضافة إلى ذلك ، نحن لا نعرف حتى الآن كل إمكانيات نشاط الكائنات الحية الدقيقة كمنتجين للبروتين ، ولكن مع تعمق معرفتنا ، سيتم توسيعها.
المواد الخام وتكوين وسائط الثقافة ل إنتاج التكنولوجيا الحيوية يوفر وسيط المغذيات نشاطًا حيويًا ، ونموًا ، وتطوير كائن بيولوجي ، وتوليف فعال للمنتج المستهدف. جزء لا يتجزأ من وسط المغذيات هو الماء ، العناصر الغذائية التي تشكل محاليل حقيقية (أملاح معدنية ، أحماض أمينية ، أحماض كربوكسيلية ، كحول ، ألدهيدات ، إلخ) ومحاليل غروانية (بروتينات ، دهون ، مركبات غير عضوية - هيدروكسيد الحديد). يمكن أن تكون المكونات الفردية في حالة تجميع صلبة ، أو يمكن أن تطفو ، أو يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الحجم كتعليق ، أو تشكل طبقة سفلية.المواد الخام لوسائل الاستزراع في إنتاج التكنولوجيا الحيوية
يجب أن تكون المواد الخام المستخدمة للحصول على المنتج المستهدف غير نادرة وغير مكلفة ومتاحة قدر الإمكان: دبس السكر - منتج ثانوي لإنتاج السكر ، ومكونات الزيت والغاز الطبيعي ، والنفايات الزراعية ، والأعمال الخشبية والصناعات الورقية ، إلخ. في أغلب الأحيان ، يتم استخدام نفايات الطعام كمكونات لوسائط الثقافة. دبس البنجر - منتج نفايات من إنتاج السكر من البنجر ، غني بالمواد العضوية والمعدنية اللازمة لتطوير الكائنات الحية الدقيقة. يحتوي على 45-60٪ سكروز ، 0.25-2.0٪ سكر مقلوب ، 0.2-3.0٪ رافينوز. بالإضافة إلى ذلك يحتوي دبس السكر على الأحماض الأمينية والأحماض العضوية وأملاحها والبيتين والمعادن وبعض الفيتامينات. يستخدم للإنتاج الصناعي لحمض الستريك والإيثانول ومنتجات أخرى. مازال دبس السكر هو إهدار لإنتاج الدبس والكحول. يعتمد التركيب الكيميائي للخل على تركيبة دبس السكر الأصلي ويختلف بشكل كبير. وفقًا لتركيبته الكيميائية ، يعتبر دبس السكر من المواد الخام الكاملة لإنتاج خميرة الأعلاف ، والتي لا تتطلب إضافة مواد النمو ، لأنها تحتوي على كمية كافية من الفيتامينات. محتوى المادة الجافة في الثبات الطبيعي هو 8-12٪ ، في اللقطات المتبخرة - 53٪. إن ما تبقى من الحبوب والبطاطا هو إهدار لإنتاج الكحول. عادة ما يكون محتوى المواد الجافة القابلة للذوبان 2.5-3.0٪ ، بما في ذلك 0.2-0.5٪ من المواد المختزلة ، وهناك مصادر للنيتروجين والعناصر النزرة. يتم استخدامه للحصول على البروتين الجرثومي. تعد نفايات التخمير (حبوب البيرة وبراعم الشعير) ومخلفات الشعير غير المملحة مصدرًا مناسبًا ، ولكنه صغير ، للكربوهيدرات القابلة للهضم لإنتاج البروتين الميكروبي. لإنتاج خميرة العلف ، يتم تحلل هذه المادة الخام بشكل مناسب وإدخالها في وسط المغذيات بنسبة 8: 0.2: 0.05 (بيليه: براعم: نفايات الشعير). نخالة القمح هي نفايات إنتاج الطحن ، وتستخدم لتحضير وسائط المغذيات في طريقة الزراعة في المرحلة الصلبة. تحتوي على تركيبة كيميائية غنية ويمكن استخدامها كمكون وحيد لوسط المغذيات. نظرًا لأن نخالة القمح منتج باهظ الثمن ، فإنه يتم خلطه بمكونات أرخص: نشارة الخشب ، وبراعم الشعير ، وثفل الفاكهة ، إلخ. مصل اللبن هو نفايات من إنتاج الجبن والجبن والكازين. في هذا الصدد ، يتم التمييز بين الجبن والجبن القريش ومصل اللبن الكازين. من حيث التركيب الكيميائي وقيمة الطاقة ، يعتبر هذا المنتج "نصف حليب". مصل اللبن غني جدًا بالعديد من المركبات النشطة بيولوجيًا ، حيث تحتوي بقاياها الجافة في المتوسط على 70-80٪ لاكتوز ، 7-15٪ مواد بروتينية ، 2-8٪ دهون ، 8-10٪ أملاح معدنية. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي مصل اللبن على كمية كبيرة من الهرمونات والأحماض العضوية والفيتامينات والعناصر النزرة. إن وجود مصادر الكربون التي يسهل استيعابها بواسطة أنواع عديدة من الكائنات الحية الدقيقة في مصل اللبن ، بالإضافة إلى عوامل النمو المختلفة ، يجعلها واحدة من أكثر الوسائط الغذائية قيمة للحصول على منتجات التوليف الميكروبي ، على سبيل المثال ، لإنتاج مستحضرات البروتين على النطاق الصناعي. من الأهمية بمكان أن استخدام مصل اللبن لا يتطلب تحضيرًا معقدًا خاصًا ، ويمكن استخدام سائل المزرعة بعد نمو الكائنات الحية الدقيقة لأغراض الغذاء والأعلاف دون معالجة.
إنتاج الكتلة الحيوية الميكروبية هو أكبر إنتاج ميكروبيولوجي. يمكن أن تكون الكتلة الحيوية الميكروبية مكملاً بروتينيًا جيدًا للحيوانات الأليفة والطيور والأسماك. يعد إنتاج الكتلة الحيوية الميكروبية أمرًا مهمًا بشكل خاص للبلدان التي لا تزرع فول الصويا على نطاق واسع (يستخدم دقيق الصويا كمادة مضافة تقليدية لتغذية البروتين).
عند اختيار كائن حي دقيق ، يتم أخذ معدل النمو المحدد وعائد الكتلة الحيوية على ركيزة معينة ، والاستقرار أثناء الزراعة المستمرة ، وحجم الخلية في الاعتبار. خلايا الخميرة أكبر من البكتيريا ويسهل فصلها عن السوائل بالطرد المركزي. يمكن زراعة طفرات الخميرة متعددة الصبغيات ذات الخلايا الكبيرة. حاليًا ، هناك مجموعتان فقط من الكائنات الحية الدقيقة معروفة تمتلك الخصائص اللازمة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع: هما خميرة المبيضات على n-alkanes (الهيدروكربونات العادية) وبكتيريا Methylophillus methylotrophus على الميثانول.
يمكن أن تنمو الكائنات الحية الدقيقة على وسائط مغذية أخرى: على الغازات ، والنفط ، ونفايات الفحم ، والمواد الكيميائية ، والأغذية ، والنبيذ والفودكا ، وصناعات النجارة. الفوائد الاقتصادية لاستخدامها واضحة. إذن ، كيلوغرام من الزيت معالج بواسطة كائنات دقيقة يعطي كيلوغرامًا من البروتين ، ولنقل كيلوغرام من السكر - 500 جرام فقط من البروتين. لا تختلف تركيبة الأحماض الأمينية لبروتين الخميرة عمليًا عن تلك التي تم الحصول عليها من الكائنات الحية الدقيقة المزروعة على وسائط الكربوهيدرات التقليدية. أظهرت الاختبارات البيولوجية للمستحضرات المصنوعة من الخميرة المزروعة على الهيدروكربونات ، والتي أجريت في بلدنا وخارجها ، أنها تفتقر تمامًا إلى أي تأثير ضار على الكائن الحي للحيوانات المختبرة. تم إجراء التجارب على أجيال عديدة من عشرات الآلاف من حيوانات المختبر والمزرعة. تحتوي الخميرة غير المعالجة على دهون وأحماض أمينية غير محددة ، وأمينات حيوية المنشأ ، وعديدات السكاريد ، وأحماض نووية ، ولا يزال تأثيرها على الجسم غير مفهوم جيدًا. لذلك ، يُقترح عزل البروتين من الخميرة في صورة نقية كيميائيًا.كما أصبح تحريره من الأحماض النووية أمرًا سهلاً.
في عمليات التكنولوجيا الحيوية الحديثة القائمة على استخدام الكائنات الحية الدقيقة ، تعمل الخميرة والفطريات الأخرى والبكتيريا والطحالب المجهرية كمنتجين للبروتين.
من وجهة نظر تكنولوجية ، الخميرة هي الأفضل منهم. تكمن ميزتها بشكل أساسي في قابلية التصنيع: من السهل أن تنمو الخميرة في ظل ظروف الإنتاج. تتميز بمعدل نمو مرتفع ، ومقاومة للنباتات الدقيقة الدخيلة ، وقادرة على استيعاب أي مصادر غذائية ، ويمكن فصلها بسهولة ، ولا تلوث الهواء بالجراثيم. تحتوي خلايا الخميرة على ما يصل إلى 25٪ من المادة الجافة. المكون الأكثر قيمة للكتلة الحيوية للخميرة هو البروتين ، والذي ، من حيث تكوين الأحماض الأمينية ، يتفوق على بروتين حبوب الحبوب وهو أقل قليلاً من بروتينات الحليب ومسحوق السمك. يتم تحديد القيمة البيولوجية لبروتين الخميرة من خلال وجود كمية كبيرة من الأحماض الأمينية الأساسية. من حيث محتوى الفيتامينات ، تتفوق الخميرة على جميع الأطعمة البروتينية ، بما في ذلك مسحوق السمك. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي خلايا الخميرة على عناصر ضئيلة وكمية كبيرة من الدهون ، والتي تسودها الأحماض الدهنية غير المشبعة. عند تغذية الأبقار بخميرة العلف ، يزداد إنتاج الحليب ومحتوى الدهون في الحليب ، وتتحسن جودة الفراء في حيوانات الفراء. من المهم أن الخمائر التي تمتلك إنزيمات تحلل وقادرة على النمو على السكريات دون تحللها الأولي. سيؤدي استخدام هذه الخميرة إلى تجنب المرحلة الباهظة من التحلل المائي للنفايات المحتوية على السكاريد. من المعروف أن أكثر من 100 نوع من الخميرة تعيش على النشا كمصدر وحيد للكربون. من بينها ، هناك نوعان مميزان بشكل خاص ، يشكلان كلا من الجلوكوز أميليز وبيتا الأميليز ، ينموان على النشا بمعامل اقتصادي مرتفع ولا يمكن استيعابهما فحسب ، بل يمكنهما أيضًا تخمير النشا: Schwanniomyces occidentalis و Saccharomycopsis fibuliger. كلا النوعين منتجان واعدان للبروتين والإنزيمات المحللة للنشواني على النفايات المحتوية على النشا. البحث جار عن الخميرة التي يمكن أن تكسر السليلوز الأصلي. تم العثور على السليولاز في عدة أنواع ، على سبيل المثال ، في Trichosporon pullulans ، ولكن نشاط هذه الإنزيمات منخفض ولا داعي للحديث عن الاستخدام الصناعي لمثل هذه الخمائر. تنمو الخميرة من جنس Kluyveromyces جيدًا على مادة الإينولين ، وهي مادة التخزين الرئيسية في درنات الخرشوف بالقدس ، وهي محصول علفي مهم يمكن استخدامه أيضًا للحصول على بروتين الخميرة.
في الآونة الأخيرة ، بدأ استخدام البكتيريا كمنتجين للبروتين ، والتي تتمتع بمعدل نمو مرتفع وتحتوي على ما يصل إلى 80٪ من البروتين في الكتلة الحيوية. تصلح البكتيريا نفسها جيدًا للاختيار ، مما يجعل من الممكن الحصول على سلالات عالية الإنتاجية. عيوبها هي صعوبة الترسيب بسبب صغر حجم الخلايا ، والحساسية الكبيرة للعدوى الملتهمة ، والمحتوى العالي من الأحماض النووية في الكتلة الحيوية. الظرف الأخير غير مواتٍ إلا إذا كان من المتوخى استخدام الغذاء للمنتج. ليست هناك حاجة لتقليل محتوى الأحماض النووية في الكتلة الحيوية المستخدمة لتغذية الحيوانات ، حيث يتم تحويل حمض البوليك وأملاحه المتكونة أثناء تدمير القواعد النيتروجينية في جسم الحيوان إلى آلانتوين ، والذي يتم إفرازه بسهولة في البول. عند البشر ، يمكن أن يساهم الفائض من أملاح حمض البوليك في تطور عدد من الأمراض.
المجموعة التالية من منتجي البروتين هي الفطر. إنهم يجذبون انتباه الباحثين نظرًا لقدرتهم على استخدام المواد الخام العضوية الأكثر تنوعًا: دبس السكر ، ومصل اللبن ، وعصير المحاصيل النباتية والجذرية ، واللجنين - والنفايات الصلبة المحتوية على السليلوز من الصناعات الغذائية ، والنجارة ، والتحلل المائي. فطر الفطر غني بالمواد البروتينية ، وهي الأقرب لبروتينات الصويا من حيث محتوى الأحماض الأمينية الأساسية. في الوقت نفسه ، فإن بروتين الفطر غني باللايسين ، وهو الحمض الأميني الرئيسي المفقود في بروتين الحبوب.وهذا يجعل من الممكن صياغة خلائط طعام وأعلاف متوازنة على أساس الكتلة الحيوية للحبوب والفطر. بروتينات الفطر لها قيمة بيولوجية عالية إلى حد ما ويمتصها الجسم جيدًا.
البنية الليفية للثقافة المزروعة هي أيضًا عامل إيجابي. يتيح لك ذلك تقليد نسيج اللحم وبمساعدة المواد المضافة المختلفة ولونه ورائحته. عادة ما يتم تخزين فطيرة الفطر مجمدة.
تستخدم الفطريات الجلوكوز والعناصر الغذائية الأخرى كركيزة ، وتعتبر أملاح الأمونيا والأمونيوم مصدرًا شائعًا للنيتروجين. بعد الانتهاء من مرحلة التخمير ، تخضع المزرعة للمعالجة الحرارية لتقليل محتوى الحمض النووي الريبي ، ثم يتم فصل الفطريات عن طريق الترشيح الفراغي.
يمكن أن تعمل الطحالب أيضًا كمصادر للمواد البروتينية. مع طريقة التغذية الضوئية للتغذية وتكوين الكتلة الحيوية ، يستخدمون ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تزرع الطحالب ، كقاعدة عامة ، في الطبقة السطحية للأحواض ، حيث يمكن الحصول على أكبر قدر من البروتين من مساحة 0.1 هكتار من 14 هكتارًا من الفول. بروتين الطحالب مناسب ليس فقط للتغذية ، ولكن أيضًا للأغراض الغذائية.
أخيرًا ، المنتجون الجيدون للبروتين هم طحلب البط ، الذي يجمع البروتين بنسبة تصل إلى 45٪ من الوزن الجاف ، بالإضافة إلى 45٪ من الكربوهيدرات. ومع ذلك ، على الرغم من صغر حجمها ، فإنها لا تنتمي إلى منتجي البروتين المذكورين أعلاه (الكائنات الحية الدقيقة) ، لأنها ليست كائنات متعددة الخلايا فحسب ، بل تنتمي أيضًا إلى نباتات أعلى.
وزارة التربية والتعليم في الاتحاد الروسي جامعة ولاية سيكتيفكار قسم علم النبات ملخص حول الموضوع: إنتاج البروتين
المؤدي: الطالب 243 غرام.
أنسكينا ماريا
المحاضر: دكتوراه، أستاذ مشارك،
شيرجينا ن.
سيكتيفكار 2000
المحتويات _______ 2
مقدمة __________ 3
1- بروتين الكائنات وحيدة الخلية
1.1. الحصول على بروتين ميكروبي مع كحول أقل ___4
1.2 الحصول على مواد بروتينية من المواد الخام الكربوهيدراتية ____ 7
2- بروتين الفطر (بروتين فطري) ________ 8
المراجع _______ 10
المقدمة
بدأ استخدام الكائنات الحية الدقيقة في إنتاج منتجات البروتين قبل فترة طويلة من ظهور علم الأحياء الدقيقة. ويكفي أن نذكر الجبن بأنواعه وكذلك المنتجات التي يتم الحصول عليها عن طريق تخمير فول الصويا. في كلتا الحالتين الأولى والثانية ، الأساس الغذائي هو البروتين. عندما يتم إنتاج هذه المنتجات بمشاركة الميكروبات ، يحدث تغيير عميق في خصائص المواد الخام المحتوية على البروتين. والنتيجة هي منتجات غذائية يمكن تخزينها لفترة أطول (الجبن) أو أكثر ملاءمة للاستهلاك (خثارة الفاصوليا). تلعب الميكروبات دورًا في إنتاج بعض منتجات اللحوم للتخزين. لذلك ، في تصنيع بعض أنواع النقانق ، يتم استخدام التخمير الحمضي ، عادة بمشاركة مجموعة من بكتيريا حمض اللاكتيك. يساهم الحمض الناتج في الحفاظ على المنتج ويساهم في تكوين طعمه الخاص.
ربما يحد هذا من استخدام الكائنات الحية الدقيقة في معالجة البروتينات. إمكانيات التكنولوجيا الحيوية الحديثة في هذه الصناعات صغيرة ، باستثناء صناعة الجبن. إن زراعة الكتلة الميكروبية وتجميعها وتحويلها إلى طعام هي مسألة أخرى: هنا يمكن للتكنولوجيا الحيوية أن تعبر عن نفسها في مجملها.
بالنسبة للعديد من المؤشرات المهمة ، يمكن أن يكون للكتلة الحيوية للكائنات الدقيقة قيمة غذائية عالية جدًا. إلى حد كبير ، يتم تحديد هذه القيمة بواسطة البروتينات: في معظم الأنواع ، تشكل نسبة كبيرة من الكتلة الجافة للخلايا. لعقود من الزمان ، تمت مناقشة ودراسة احتمالات زيادة حصة البروتين الميكروبي في التوازن الكلي للبروتين المنتج في جميع أنحاء العالم.
يتضمن إنتاج هذا البروتين الزراعة على نطاق واسع لبعض الكائنات الحية الدقيقة ، والتي يتم جمعها ومعالجتها في الغذاء. لتحقيق أقصى تحول ممكن للركيزة إلى كتلة حيوية ميكروبية ، يلزم اتباع نهج متعدد الأوجه. إن زراعة الميكروبات للطعام أمر مهم لسببين.أولاً ، تنمو بشكل أسرع بكثير من النباتات والحيوانات: يتم قياس الوقت اللازم لمضاعفة أعدادها بالساعات. هذا يقصر الوقت المستغرق لإنتاج كمية معينة من الطعام. ثانيًا ، اعتمادًا على الكائنات الحية الدقيقة المزروعة ، يمكن استخدام أنواع مختلفة من المواد الخام كركائز. بالنسبة للركائز ، يمكنك هنا الذهاب في اتجاهين رئيسيين: معالجة منتجات النفايات منخفضة الجودة أو التركيز على الكربوهيدرات المتاحة بسهولة والحصول على الكتلة الحيوية الميكروبية التي تحتوي على بروتين عالي الجودة منها.
1.1. الحصول على البروتين الجرثومي على الكحوليات الأقل
الزراعة في الميثانول. الميزة الرئيسية لهذه الركيزة هي نقاوتها العالية وعدم وجود شوائب مسرطنة ، وقابلية جيدة للذوبان في الماء ، وتقلبات عالية ، مما يجعل من السهل إزالة بقاياها من المنتج النهائي. لا تحتوي الكتلة الحيوية التي يتم الحصول عليها من الميثانول على شوائب غير مرغوب فيها ، مما يجعل من الممكن استبعاد مرحلة التنقية من المخطط التكنولوجي.
ومع ذلك ، فمن الضروري أن تؤخذ في الاعتبار عند تنفيذ العملية وخصائص الميثانول مثل القابلية للاشتعال وإمكانية تكوين مخاليط متفجرة مع الهواء.
تمت دراسة سلالات الخميرة والبكتيريا كمنتجين يستخدمون الميثانول في التمثيل الغذائي البناء. في الخميرة ، تمت التوصية بإنتاج المبيضات بوديني ، و Hansenula polymorpha و Piehia pastoris ، حيث تسمح الظروف المثلى (t = 34-37 ° C ، pH = 4.2-4.6) بتنفيذ العملية بمعامل اقتصادي لاستيعاب الركيزة يصل إلى 0.40 بمعدل تدفق في حدود 0.12-0.16 ساعة -1. بين الثقافات البكتيرية ، يتم استخدام ميثيلوموناس كلارا ، بسيودوموناس الوردية وغيرها ، قادرة على التطور عند t = 32-34 درجة مئوية ، الرقم الهيدروجيني = 6.0-6.4 مع معامل اقتصادي لاستيعاب الركيزة يصل إلى 0.55 بمعدل تدفق يصل إلى 0.5 ساعة ؛ واحد.
ترجع ميزات عملية الزراعة إلى حد كبير إلى سلالة المنتج المستخدمة (الخميرة أو البكتيريا) وظروف التعقيم. يعرض عدد من الشركات الأجنبية استخدام سلالات الخميرة والقيام بالزراعة في حالة عدم وجود عقم صارم. في هذه الحالة ، تتم العملية التكنولوجية في جهاز تخمير من نوع طرد بسعة 75 طنًا من ACW يوميًا ، والاستهلاك المحدد للميثانول هو 2.5 طن / طن ACW.
عند زراعة الخميرة في ظل ظروف معقمة ، يوصى باستخدام أجهزة من النوع العمودي أو من النوع الذي يرفع الأذن بسعة 75-100 طن من خل التفاح في اليوم عند استهلاك ميثانول يصل إلى 2.63 طن / طن من خل التفاح. في كلتا الحالتين ، تتم عملية الزراعة في مرحلة واحدة ، دون مرحلة "النضج" مع تركيز منخفض من الركيزة (8-10 جم / لتر).
في عدد من البلدان ، تُستخدم السلالات البكتيرية كمنتجين ؛ ويتم تنفيذ العملية في ظل ظروف معقمة في أجهزة تخمير من النوع الهوائي أو النفاث بسعة 100-300 طن / يوم واستهلاك الميثانول يصل إلى 2.3 طن / طن من ASB. يتم التخمير في خطوة واحدة بتركيزات كحول منخفضة (تصل إلى 12 جم / لتر) بدرجة عالية من استخدام الميثانول.
أكثرها واعدة من حيث تصميمها هو جهاز التخمير النفاث التابع لمعهد الكيمياء التقنية التابع لأكاديمية العلوم في جمهورية ألمانيا الديمقراطية. يتكون المخمر الذي يبلغ حجمه 1000 متر مكعب من أقسام تقع واحدة فوق الأخرى ومتصلة ببعضها بواسطة فيضان العمود. يتم توفير وسيط التخمير من القسم السفلي للمخمر عبر خط أنابيب الضغط عن طريق مضخات دوران الطرد المركزي إلى فائض العمود العلوي ، والذي يمر من خلاله إلى القسم السفلي ، بينما يمتص الهواء من خط أنابيب الغاز. وهكذا ، يتدفق الوسط من قسم إلى آخر ، ويمتص باستمرار أجزاء جديدة من الهواء. توفر النفاثات المتساقطة في فيضان المناجم تهوية مكثفة للوسط.
يتم توفير وسيط المغذيات باستمرار إلى منطقة فائض العمود العلوي ، ويتم إزالة المعلق الميكروبي من الدوائر البعيدة. في مرحلة العزل لجميع أنواع المنتجين ، يتم توفير فصل الحبيبات من أجل الحصول على منتج نهائي في شكل حبيبات.
تحتوي خميرة العلف التي يتم الحصول عليها على الميثانول على النسبة المئوية التالية: البروتين الخام 56-62 ؛ الدهون 5-6 ؛ الرماد 7-11 ؛ رطوبة 8-10 ؛ الأحماض النووية 5-6.تتميز الكتلة الحيوية البكتيرية بالتركيب التالي: البروتين الخام 70-74 ؛ الدهون 7-9 ؛ الرماد 8-10 ؛ أحماض نووية 10-13 ؛ الرطوبة 8-10.
بالإضافة إلى الميثانول ، يتم استخدام الإيثانول كمادة خام عالية الجودة ، والتي تتميز بسمية منخفضة وقابلية جيدة للذوبان في الماء وكمية صغيرة من الشوائب.
يمكن استخدام الخميرة (Candida utilis، Sacharomyces lambica، Hansenula anomala، Acinetobacter calcoaceticus) ككائنات دقيقة تنتج البروتين على الكحول الإيثيلي كمصدر وحيد للكربون. تتم عملية الزراعة في مرحلة واحدة في مخمرات ذات خصائص نقل كتلة عالية بتركيز إيثانول لا يزيد عن 15 جم / لتر.
تحتوي الخميرة المزروعة بالإيثانول على (٪): بروتين خام 60-62 ؛ الدهون 2-4 ؛ الرماد 8-10 ؛ رطوبة تصل إلى 10.
1.2 الحصول على مواد بروتينية من المواد الخام الكربوهيدراتية
تاريخياً ، كانت إحدى الركائز الأولى المستخدمة للحصول على الكتلة الحيوية للأعلاف هي محللات نفايات النبات ، ومحلول ما قبل الجفاف ، ومحلول الكبريتات - نفايات صناعة اللب والورق. كما زاد الاهتمام بالمواد الخام الكربوهيدراتية كمصدر متجدد رئيسي للكربون بشكل كبير من وجهة نظر بيئية ، حيث يمكن أن تكون بمثابة الأساس لإنشاء تقنية خالية من النفايات لمعالجة منتجات المصانع.
نظرًا لحقيقة أن التحلل المائي عبارة عن ركيزة معقدة تتكون من خليط من hexoses و pentoses ، فقد انتشرت أنواع الخميرة C.utilis و C.scottii و C. من استيعاب البنتوز ، وكذلك نقل وجود فورفورال في البيئة.
يختلف تكوين وسيط المغذيات في حالة الزراعة على خام التغذية الهيدروكربوني اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة في زراعة الكائنات الحية الدقيقة على الركيزة الهيدروكربونية. يوجد في التحلل المائي وغسول الكبريتات كمية صغيرة من جميع العناصر الدقيقة تقريبًا اللازمة لنمو الخميرة. يتم إدخال الكميات المفقودة من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم في شكل محلول عام من أملاح الأموفوس وكلوريد البوتاسيوم وكبريتات الأمونيوم.
يتم التخمير في أجهزة رفع الهواء من تصميم شركة Lefrancois-Marillet بحجم 320 و 600 متر مكعب. تتم عملية زراعة الخميرة في وضع مستمر عند درجة حموضة تبلغ 4.2-4.6. تتراوح درجة الحرارة المثلى من 30 إلى 40 درجة مئوية.
خميرة العلف التي يتم الحصول عليها عن طريق الزراعة على المواد الخام النباتية وسوائل الكبريتيت المائي لها التركيب التالي (٪): البروتين 43-58 ؛ الدهون 2.3-3.0 ؛ الكربوهيدرات 11-23 ؛ الرماد - ما يصل إلى 11 ؛ الرطوبة - لا تزيد عن 10.
إحدى الركائز الواعدة في إنتاج الكتلة الحيوية للأعلاف هي التحلل المائي للجفت ، والتي تحتوي على كمية كبيرة من السكريات الأحادية والأحماض العضوية سهلة الهضم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إضافة كميات صغيرة فقط من السوبر فوسفات وكلوريد البوتاسيوم إلى وسط المغذيات. مصدر النيتروجين هو ماء الأمونيا. من حيث الجودة ، فإن الكتلة الحيوية للأعلاف التي يتم الحصول عليها من تحلل الخث المائي تفوق الخميرة المزروعة على نفايات النبات.
البروتين الفطري هو منتج غذائي يتكون أساسًا من فطريات الفطريات. في إنتاجه ، يتم استخدام سلالة Fusarium graminearum المعزولة من التربة. يتم إنتاج البروتين الفطري اليوم في نبات تجريبي بطريقة النمو المستمر. يستخدم الجلوكوز والمغذيات الأخرى كركيزة ، والأمونيا وأملاح الأمونيوم هي مصادر النيتروجين. بعد الانتهاء من مرحلة التخمير ، تخضع المزرعة للمعالجة الحرارية لتقليل محتوى الحمض النووي الريبي ، ثم يتم فصل الفطريات عن طريق الترشيح الفراغي.
إذا قارنا إنتاج البروتين الفطري بتخليق البروتينات الحيوانية ، فسيتم الكشف عن عدد من مزاياها. بالإضافة إلى حقيقة أن معدل النمو أعلى هنا ، فإن تحويل الركيزة إلى بروتين يكون أكثر كفاءة بما لا يقاس مما يحدث عندما يتم استيعاب الطعام بواسطة الحيوانات الأليفة. وينعكس هذا في الجدول 1.
وتجدر الإشارة إلى أن العلف الحيواني يجب أن يحتوي على كمية معينة من البروتين ، تصل إلى 15-20٪ ، حسب نوع الحيوانات وطريقة تربيتها.البنية الليفية للثقافة المزروعة هي أيضًا عامل إيجابي ؛ قوام كتلة الميسليوم قريب من نسيج المنتجات الطبيعية ، وبالتالي ، يمكن تقليد نسيج اللحم في المنتج ، وطعمه ولونه بسبب الإضافات. تعتمد كثافة المنتج على طول الفطر المزروع ، والذي يتم تحديده بواسطة معدل النمو.
الجدول 1. كفاءة التحويل لتشكيل البروتين لمختلف الحيوانات و Fusarium graminearum.
| المنتج الأصلي | منتجات وخدمات | ||
| بروتين ، غ | المجموع ، ز | ||
| بقرة | 1 كغ علف | 14 | 68 لحم بقري |
| شخص شره | 1 كغ علف | 41 | 200 لحم خنزير |
| فرخة | 1 كغ علف | 49 | 240 لحم |
| الحزام الفيوزاريوم | 1 كغ كربوهيدرات + نيتروجين غير عضوي | 136 | كتلة خلية 1080 |
بعد إجراء بحث مكثف حول القيمة الغذائية للبروتين الفطري وسلامته ، وافقت وزارة الزراعة الأمريكية على تسويقه في إنجلترا. يظهر محتواها من المغذيات في الجدول 2.
الجدول 2. متوسط تكوين البروتين الفطري ومقارنته مع تلك الموجودة في لحوم البقر.
| عناصر | التركيب ،٪ (الوزن الجاف) | |
| بروتين فطري | شريحة لحم | |
| بروتين | 47 | 68 |
| الدهون | 14 | 30 |
| الألياف الغذائية | 25 | آثار |
| الكربوهيدرات | 10 | 0 |
| رماد | 3 | 2 |
| RNA | 1 | آثار |
1. التكنولوجيا الحيوية: المبادئ والتطبيقات. إد. هيغنز وآخرون ، موسكو: "مير" ، 1988
2. التكنولوجيا الحيوية. إنتاج مواد بروتينية. V.A.Bykov ، M.N. Manakov وآخرون. موسكو "المدرسة العليا" ، 1987
3. Vorobieva A.I. علم الأحياء الدقيقة الصناعي. إد. جامعة موسكو ، 1989
