Государственное
образовательное учреждение
Высшего профессионального
образования
«Пермская государственная
фармацевтическая академия Федерального
агентства по здравоохранению и
социальному развитию»
Кафедра промышленной технологии
с курсом биотехнологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО БИОТЕХНОЛОГИИ
Биотехнология
витаминов
Выполнила: Скворцова
К. М.
Преподаватель:
Соснина О. Ю.
Пермь, 2013
Содержание
Введение……………………………………………………………………3
Витамины.
Применение
их в различных областях.
Пути производства…………………………………………………………4
Получение витаминов……………………………………………………...6
Заключение………………………………………………………………...14
Список литературы………………………………………………………..15
Введение
Биологические технологии (биотехнологии)
обеспечивают управляемое получение полезных
продуктов для различных сфер человеческой
деятельности. Эти технологии базируются
на использовании каталитического потенциала
различных биологических агентов и систем
– микроорганизмов, вирусов, растительных
и животных клеток и тканей, а также внеклеточных
веществ и компонентов клеток. В настоящее
время разработка и освоение биотехнологии
занимают важное место в деятельности
практически всех стран. Определить сегодня,
что же такое биотехнология, весьма не
просто. Вместе с тем, само появление этого
термина в нашем словаре глубоко символично.
Оно отражает мнение, что применение биотехнологических
материалов и принципов в ближайшие годы
радикально изменит многие отрасли промышленности
и само человеческое общество. Интерес
к этой науке и темпы ее развития в последние
годы растут очень быстро.
Витамины. Применение
их в различных областях. Пути производства.
Витамины
– это низкомолекулярные органические
вещества, необходимые любому организму
в ничтожных концентрациях и выполняющих
в нём каталитические и регуляторные функции.
Недостаток того или иного витамина нарушает
обмен веществ и нормальные процессы жизнедеятельности
организма, приводя к развитию патологических
состояний. Природным источником многих
витаминов являются растения и микроорганизмы.
Необходимость крупномасштабного производства
витаминов определяется широкой областью
их применения.
Применяют в:
- Сельское хозяйство – витаминные концентраты для повышения продуктивности животноводства.
- Пищевая промышленность – добавки для повышения полноценности продуктов питания.
- Здравоохранение и медицина – как лечебно-профилактические средства в индивидуальном виде и в виде комбинированных препаратов.
Получение:
В настоящее время в производстве
многих витаминов ведущие позиции принадлежат
химическому синтезу, однако при производстве
отдельных витаминов микробный синтез
имеет огромное значение, например при
производстве кормовых препаратов витаминов.
Отдельные витамины, кобаламины, менахиноны
продуцируются только микробными клетками.
Витамины принимают активное участие
во многих процессах метаболизма человека
и высших животных (процессы цикла трикарбоновых
кислот, распад и синтез жирных кислот,
синтез аминокислот и др.), оказывая влияние
на разнообразные физиологические процессы.
Микробиологическим путем получают
некоторые витамины группы B, а также эргостерин
и каротин, являющиеся, соответственно,
предшественниками витаминов D2 и провитамина
A.
Пути производства:
- Экстракция витаминных препаратов из растительного или из животного сырья. Именно этим путём были получены первые витаминные препараты. В настоящее время доля витаминов, получаемых этим путём, незначительно в виду малого содержания их в природном сырье.
- Химический синтез. Самый распространённый путь получения на данный момент.
- Биосинтез витаминов. Витамины, химический синтез которых невозможен в крупномасштабном производстве или нецелесообразен, получают с применением микроорганизмов, способных к сверхсинтезу и накоплению определённых витаминов.
Получение витаминов
- Витамин В12.
Витамин
В12 – (α-5,6-диметилбензимидазол)-цианкобаламин
– полимер сложного строения,
являющийся гематопоэтическим и
ростовым фактором для многих
животных и микроорганизмов. Микробиологический синтез является единственным
способом получения данного витамина.
Способность к синтезу данного
витамина широко распространена среди
прокариотических микроорганизмов. Активно
продуцируют витамин В12 Propionibacterium, а также
Pseudomonas и смешанные культуры матанообразующих
бактерий. Получение витамина на основе
пропионовокислых бактерий, способных
к самостоятельному синтезу аденозилкобаламина
5,6 ДМБ (коэнзима В12), осуществляется в
две стадии в двух последовательных аппаратах
объемом 500 л при коэффициенте заполнения
0.65–0.70.
Первую стадию культивирования
проводят в течение 80 ч и
слабом перемешивании в анаэробных
условиях до полной утилизации
сахара; полученную биомассу центрифугируют.
Сгущенную суспензию инкубируют
во втором аппарате еще в течение 88 ч, аэрируя культуру
воздухом (2 м3/ч). Среда содержит сахара
(обычно глюкозу 1–10 %), добавки солей железа,
марганца, магния и кобальта (10–100 мг/л),
кукурузный экстракт (3–7 %). В качестве
источника азота принят (NH4)2SO4. Ферментацию
проводят при 30°С, рН стабилизируют на
уровне 6.5–7.0 подтитровкой культуры раствором
(NH)4OH. На второй стадии происходит образование
ДМБ. После завершения ферментации витамин
экстрагируют из клеток, нагреванием в
течение 10–30 минут при 80–120°С. При последующей
обработке горячей клеточной суспензии
цианидом происходит образование CN-кобаламина;
продукт сорбируют, пропуская раствор
через активированный уголь и окислы алюминия;
затем элюируют водным спиртом или хлороформом.
После выпаривания растворителя получают
кристаллический витамин. Выход В12 составляет
до 40 мг/л.
Активными продуцентами В12 являются
бактерии рода Pseudomonas. Разработаны
эффективные технологии на основе
термофильных бацилл Bacillus circulans, в
течение 18 ч при 65–75°С в
нестерильных условиях. Выход витамина
составляет от 2.0 до 6.0 мг/л. Бактерии выращивают
на богатых средах, приготовленных на
основе соевой и рыбной муки, мясного и
кукурузного экстракта. Продукция В12 для
медицины составляет около 12 т/г; форма
выпуска – стерильный раствор CN-В12 на
основе 0.95-го раствора NaCl и таблетки витамина
в смеси с фолиевой кислотой или другими
витаминами. Для нужд животноводства витамин
В12 получают на основе смешанной ассоциации
термофильных метаногенных бактерий.
Ассоциация состоит из 4-х культур, взаимосвязанно
расщепляющих органический субстрат до
СО2 и СН4: углеводсбраживающих, аммонифицирующих,
сульфатвосстанавливающих и собственно
метанобразующих бактерий. В качестве
субстрата используют декантированную
ацетонобутиловую барду, содержащую 2.0–2.5
% сухих веществ. Брожение проходит при
55–57°С в нестерильной культуре в две фазы:
на первой образуются жирные кислоты и
метан, на второй – метан, углекислота
и витамин В12. Длительность процесса в
одном аппарате составляет 2.5–3.5 суток,
в двух последовательных – 2–2.5 суток.
Концентрация витамина в бражке достигает
850 мкг/л. Параллельно в значительных количествах,
до 20 м3/м3 образуется газ (65 % метана и 30
% углекислоты). Бражка имеет слабощелочную
реакцию. Для стабилизации витамина ее
подкисляют соляной или фосфорной кислотой,
затем в выпарном аппарате сгущают до
20 % содержания сухих веществ и высушивают
в распылительной сушилке. Содержание
В12 в сухом препарате – до 100 мкг/г.
- Эргостерин
Эргостерин –
(эргоста-5,7,22-триен-3β-ол) – исходный продукт
производства витамина D2 и кормовых препаратов
дрожжей, обогащенных этим витамином.
Витамин D2 (эргокальциферол) образуется
при облучении ультрафиолетом эргостерина,
который в значительных количествах синтезируют
бурые водоросли, дрожжи, плесневые грибы.
Наиболее активные продуценты эргостерина
– Saccharomyces, Rhodotoryla, Candida.
В промышленных
масштабах эргостерин получают
при культивировании дрожжей
и мицелиальных грибов на средах
с избытком сахаров при дефиците
азота, высокой температуре и хорошей
аэрации. Более интенсивно эргостерин
образуют дрожжи рода Candida на средах с
углеводородами. При получении кристаллического
препарата витамина D2 культивируют плесневые
грибы (Penicillium, Aspergillus). Для получения кормовых
препаратов облучают суспензию или сухие
дрожжи (Candida). Облучают тонкий слой 5 % суспензии
дрожжей ультрафиолетовыми лампами с
длиной волны 280–300 нм. Кормовые препараты
дрожжей содержат в 1 г АСВ 5000 Е витамина
D2 и не менее 46 % сырого белка. Для получения
кристаллического препарата витамина
дрожжи или грибной мицелий подвергают
кислотному гидролизу при 110°С. Витамин
экстрагируют спиртом, фильтруют, далее
фильтрат упаривают, несколько раз промывают
спиртом. Спиртовый экстракт сгущают до
50 % концентрации сухих веществ, омыляют
щелочью. Полученные кристаллы витамина
очищают перекристаллизацией и сушат
в эфире, отгоняя последний. Кристаллический
осадок растворяют в масле. Данный препарат
используют в медицинских целях. Эргостерин
является также исходным продуктом для
получения ряда стероидных гормонов, пищевых
и лекарственных препаратов.
- Каротиноиды
Каротиноиды
— это изопреноидные соединения,
синтезирующиеся многими пигментными
микроорганизмами из рода Aleuria, Blakesloa,
Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium, Phycomyces, Pseudornonas,
Rhodotorula, Saicina, Sporobolomyces и др. Всего описано
около 500 каротиноидов.
Из одной
молекулы β-каротина при гидролизе
образуются две молекулы витамина
А,. Это имеет место, например,
в кишечнике человека.
Каротиноиды
локализуются в виде сложных
эфиров и гликозидов в клеточной
мембране микроорганизмов, либо
в свободном состоянии — в
липидных гранулах в цитоплазме.
Каротиноид "ретиналь", например,
у галофильного вида — Halobacterium
halobium — соединен с белком через остаток
лизина (опсиноподобный белок); оп участвует
в синтезе АТФ благодаря генерации трансмембранного
потенциала. В целом, основная функция
каротиноидов — защитная. Их биосинтезу
в клетках способствует свет.
В качестве продуцентов каротиноидов можно использовать
бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы.
Более часто применяют зигомицеты Blakeslea
trispora и Choanephora conjuncta. Спаривающиеся (+) и
(-) особи этих видов при совместном культивировании
могут образовать 3-4 г каротина на 1 л среды.
Питательные среды для них
достаточно сложные и включают
источники углерода, азота, витаминов, микроэлементов, специальных
стимуляторов (гидрол, кукурузно-соевая
мука, растительные масла, керосин, р-ионон
или изопреновые димеры, и пр.). Стимуляторы
целесообразно вносить в культуральные
среды в конце трофофазы, то есть когда
продуцент переходит в продуктивную фазу
(идиофазу).
Вначале штаммы выращивают раздельно,
а затем — совместно при
26°С и усиленной аэрации с
последующим переносом в основной
ферментатор. Условия культивирования
сохраняют прежними. Длительность
ферментации — 6-7 дней. Каротиноиды извлекают ацетоном (можно
каким-либо другим полярным растворителем),
переводят в неполярный растворитель.
В случаях извлечения белково-каротиноидных
комплексов, то применяют поверхностно-активные
вещества в концентрации 1—2%. В целях очистки
и более тонкого разделения гомологов
можно прибегать к методам хроматографии
или к смене растворителей. Витамин A1 из
β-каротина сравнительно легко можно получить
при гидролизе. В случае изготовления
каротинсодержашей биомассы для скармливания
животным и птицам возможно ее сочетанное
применение с витамином А или без него.
В медицинских целях витамин А изготавливают
в капсулах для приема через рот.
- Витамин С.
Аскорбиновая
кислота, или витамин С —
это противоцинготный витамин,
имеющийся у всех высших растений
и животных; только человек и
микробы не синтезируют ее, но людям она
неотложно необходима, а микробы не нуждаются
в ней. И, тем не менее, определенные виды
уксуснокислых бактерий причастны к биосинтезу
полупродукта этой кислоты — L-сорбозы.
Таким образом, весь процесс получения
аскорбиновой кислоты является смешанным,
то есть химико-ферментативным.
Биологическая стадия процесса
катализируется мембраносвязанной
полиолдегидрогеназой, а последняя
(химическая) включает последовательно
следующие этапы; конденсация сорбозы с диацетоном
и получение диацетон — L-сорбозы, окисление
диацетон — L-сорбозы до диацетон-2-кето-1,-гулоновой
кислоты, подвергаемой затем гидролизу
с получением 2-кето-Ь-гулоновой кислоты;
последнюю подвергают энолизации с последующей
трасформацией в L-аскорбиновую кислоту.
Ферментацию G.oxydans проводят на
средах, содержащих сорбит (20%), кукурузный
или дрожжевой экстракт, при интенсивной
аэрации (8—10 г О2/л/ч). Выход L-сорбозы
может достичь 98% за одни-двое
суток. При достижении культурой log-фазы можно дополнительно
внести в среду сорбит, доводя его концентрацию
до 25%. Также установлено, что G.oxydans может
окислять и более высокие концентрации
полиспирта (30—50%), создаваемые на последних
стадиях процесса. Это происходит благодаря
полиолде-гидрогеназы, содержащейся в
клеточной биомассе. Ферментацию бактерий
проводят в периодическом или непрерывном
режиме. Принципиально доказана возможность
получения L-сорбозы из сорбита с помощью
иммобилизованных клеток в ПААГ.