Ские процессы в биотехнологических производствах

Основная стадия биотехнологического производства. Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганиз- мов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) про- исходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является по-

лучение определенного органического вещества.

Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее.

Ферментация — процесс, осуществляемый с помощью культи-

вирования микроорганизмов.

Биотрансформация — процесс изменения химической структу- ры вещества под действием ферментативной активности клеток мик- роорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопления клеток микроорганизмов, а химическая струк- тура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основ- ном готово, биотрансформация осуществляет его химическую моди- фикацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, де- гидрирует и т. п.

Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие

с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных усло- виях.

Метановое брожение — переработка органических отходов с

помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование — снижение содержания вредных органи- ческих веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, ко- торым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения

доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция— сорбция вредных примесей из газов или жидко- стей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твер- дых носителях.

Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нераство- римых в воде соединений металлов в растворенное состояние под дей- ствием специальных микроорганизмов.

Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздей-

ствием микроорганизмов – биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один

— жидкостной.

В случае если процесс протекает в твердой фазе (например, со- зревание сыра или биокомпостирование отходов) выходом является поток переработанного твердого продукта.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОКАТАЛИЗА И БИОТРАНСФОРМАЦИИ

Известно, что биокатализ и биотрансформация являются процес- сами химического превращения одного или более веществ, протекаю- щими под действием катализаторов - ферментов, применяемых в очи- щенном виде или в составе клеток микроорганизмов, либо изолирован- ных животных или растительных клеток. При этом биотрансформация

— это относительно неглубокое химическое превращение уже в основ- ном сформированного химического соединения под влиянием фермен- тов. При биокатализе же возможен синтез нового вещества из различ- ных по структуре реагентов или разложение сложного вещества под действием ферментов. Объединяет их, прежде всего использование специфических катализаторов — молекул фермента, имеющих белко- вую природу. Ферменты также называют энзимами. Наука, изучающая ферменты и ферментативные реакции, называется энзимологией.

В клетках микроорганизмов одновременно протекает множество биохимических реакций. Ферменты, ускоряющие биохимические реак- ции, имеют высокую каталитическую активность, то есть эффективно снижают энергию активации, необходимую для осуществления реак- ции, благодаря тому, что способствуют образованию промежуточных продуктов, требующих меньшей энергии.

Ферменты вырабатываются клеткой в соответствии с ее потреб- ностями, их содержание может колебаться в значительной степени. Ферменты имеют высокую специфичность, а их активность зависит от различных факторов (температуры, рН, состава питательной среды, наличия токсичных веществ).

Природа фермента оказывает решающее влияние на кинетику ферментативных реакций.

В общем случае, механизм действия фермента может быть выражен следующими структурными схемами:

для одного субстрата S

S + Е ↔ES→ P+E;

для двух субстратов S1 и S2

S1+S2+Е↔ES1S2→P+E

В обоих случаях реакции превращения субстрата (S) в продукт

(P) протекают через промежуточную стадию взаимодействия энзима

(E) с субстратом (S) и образования фермент-субстратных комплексов

(ES).

Молекула фермента — очень длинный закрученный белок, к тому же свернутый в виде пространственного упругого клубка причудливой формы (рис. 17).

Рисунок 17 - Пространственная конформация молекулы фермента

Спутанность и беспорядок белка не случайны — они строго обу- словлены чередованием аминокислот в молекуле фермента. В этой структуре есть участки, куда легко притягивается определенная форма молекулы субстрата.

Доказано, что скорость реакции на ферменте в 10 млрд. раз боль- ше, чем без него. Вот почему ферменты запросто осуществляют мно- гие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаи- модействие атмосферного азота с водой, с образованием аммонийных соединений.