Aspergillus terreus — продуцент ітаконової кислоти

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ  УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ 
 
 
 
 
 

Кафедра біотехнології мікробного синтезу 
 
 
 
 
 
 

РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 

до курсової роботи з дисципліни 

«Загальна мікробіологія та вірусологія» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виконав студент групи БТЕК - III - 1    Донець О.С. 

Керівник, к. т. н.                   Пінчук Ю.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Київ-2009

РЕФЕРАТ 

     Дана  курсова робота виконана згідно отриманого завдання. Структура курсової роботи відповідає вимогам щодо порядку  оформлення курсових робіт, вказаних в «Методичних вказівках до виконання курсової роботи» (№ 6501).

      Курсова робота викладена на 30 сторінках, включає 9 рисунків, 4 таблиці, 10 літературних джерел.

     У загальній частині  курсової роботи представлена характеристика Aspergillus terreus – продуцента ітаконової кислоти.

     У розрахунково-графічній частині  містяться розв’язки розрахунково-графічних завдань курсової роботи.

     У розділі «Визначення показників швидкості росту при періодичному культивуванні мікроорганізмів» розраховані показники росту мікроорганізмів при періодичному культивуванні.

     У розділі «Поживні середовища для  вирощування мікроорганізмів» проаналізовано склад поживного середовища і  придатність його для вирощування мікроорганізмів, розраховано теоретично можливий рівень біомаси за кількістю азоту і вуглецю, що містяться в поживному середовищі.

     У розділі «Енергетичний баланс окиснення субстрату» проведено аналіз енергетичного балансу окислення глюкози за заданих умов.

     Ключові слова: Aspergillus terreus, ітаконова кислота, лаг-фаза, цис-аконітова кислота, поживне середовище, гліколіз, субстрат. 
 
 
 
 
 
 
 

     ЗМІСТ 

Вступ…………………………………………………………………….……………....4

1. Загальна частина..........................................................................................................7

     1.1.Обґрунтування вибіру біологічного агента……………………………………7

     1.2. Характеристика біологічного агента Aspergillus terreus — продуцента

  ітаконової кислоти ….…………………………….……………...……………….…..9

      2. Розрахунково – графічна частина............................................................................14

           2.1.Розділ 1. “Визначення показників росту при періодичному культивуванні

           мікроорганізмів” ………………………………………………………………......15

           2.2. Розділ 2. “Поживні середовища для вирощування

      мікроорганізмів” …………………………………………………………………….. 19

         2.3. Розділ 3.  “Енергетичний  баланс окиснення субстрату”…………...............25

      Висновки………………………………………………………………………….…...29

      Список  використаної літератури…………………………………………………….30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступ

     Міжнародними експертами в галузі біотехнологічних  наукових досліджень, інтелектуальної власності та економічної політики на Всесвітньому біотехнологічному форумі було одностайно визнано, що людство в ХХI ст. завдяки сучасним біотехнологіям отримало надзвичайні можливості щодо вирішення соціальних проблем, пов’язаних з харчуванням  зростаючого населення планети, підтримкою здоров’я людини і навколишнього середовища,  поповненням джерел енергії та природних ресурсів.

     Фундамент сучасної біотехнології було закладено ще 6 – 8 тисяч років тому, коли людина інтуїтивно почала використовувати процеси бродіння у виробництвві хліба, пива і вина. Біотехнологія на сучасному етапі, а також на багато десятиріч вперед визначає науково-технічний прогрес і рівень життя людей. Вона є не тільки наукою, але і сферою діяльності людини, яка, використовуючи біологічні процеси, що протікають в живих організмах і системах, переносить їх на виробництво для отримання украй необхідних органічних речовин, і відтворення тих біологічних ефектів, які не створені природою. Вихідним матеріалом для роботи служать: клітини мікроорганізмів; клітини, органи і тканини тварин, рослин і людини; віруси, позаклітинні продукти та іммобілізовані клітини організмів, їх компоненти та позаклітинні продукти. З кожним днем збільшується кількість досліджених мікроорганізмів, а також сполук, які вони синтезують за тих чи інших умовах культивування.

     Стан  біотехнологічної галузі потребує великої  уваги з боку держави, тому що роль сучасної біотехнології є вирішальною для становлення економіки України, розвиток котрої базується на впровадженні високотехнологічних виробництв. Залучення біотехнологічних розробок уможливлює розв’язання актуальних завдань сучасної медицини, сільського господарства, фармакології, екології, низки галузей промисловості.[4]

     Біотехнологічні процеси з використанням мікроорганізмів  і ферментів уже на сучасному технічному рівні широко застосовують у харчовій промисловості. Промислове вирощування мікроорганізмів використовують для одержання багатьох цінних сполук - ферментів, гормонів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків, метанолу, органічних кислот (оцтової, лимонної, молочної) і т.д. За допомогою мікроорганізмів проводять біотрансформацію одних органічних сполук в інші (наприклад, сорбіту у фруктозу). Широке застосування в різноманітних виробництвах одержали іммобілізовані ферменти. Для виділення біологічно активних речовин зі складних сумішей використовують моноклональні антитіла. А. С. Спіріним у 1985-88 розроблені принципи безклітинного синтезу білка, коли замість клітин застосовуються спеціальні біореактори, що містять необхідний набір очищених клітинних компонентів. Цей метод дозволяє одержувати різні типи білків і може бути ефективним у виробництві. Багато промислових технологій заміняються технологіями, що використовують ферменти і мікроорганізми. Такі біотехнологічні методи переробки сільськогосподарських, промислових і побутових відходів, очищення і використання стічних вод для одержання біогазу і добрив. У ряді країн за допомогою мікроорганізмів одержують етиловий спирт, що використовують як пальне для автомобілів (у Бразилії, де паливний спирт широко застосовується, його одержують із цукрового тростняку й інших рослин). На спроможності різноманітних бактерій переводити метали в розчинні сполуки або накопичувати їх у собі заснований метод виділення багатьох металів із бідних руд або стічних вод.

     Внесок  біотехнології в сільськогосподарське виробництво полягає в полегшенні традиційних методів селекції рослин і тварин і розробці нових технологій, що дозволяють підвищити ефективність сільського господарства. У багатьох країнах методами генетичної і клітинної інженерії створені високопродуктивні і стійкі до шкідників, хвороб, гербіцидів сорти сільськогосподарських рослин. Розроблена техніка оздоровлення рослин від накопичених інфекцій. Як одна з найважливіших проблем біотехнології у усьому світі широко досліджується можливість керування процесом азотфіксації, у тому числі можливість уведення генів азотфіксації в геном корисних рослин, а також процесом фотосинтезу. Ведуться дослідження з поліпшення амінокислотного складу рослинних білків. Розробляються нові регулятори росту рослин, мікробіологічні засоби захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальні добрива. Геноінженерні вакцини, сироватки, моноклональні антитіла використовують для профілактики, діагностики і терапії основних хвороб сільськогосподарських тварин. У створенні більш ефективних технологій племінної справи застосовують геноінженерний гормон росту, а також техніку трансплантації і мікроманіпуляцій на ембріонах домашніх тварин. Для підвищення продуктивності тварин використовують кормовий білок, отриманий мікробіологічним синтезом. 
 

     

 

1. Загальна частина
1. Обґрунтування вибору біологічного агента

     Ітаконова кислота синтезується пліснявими грибами роду Aspergillus, зокрема А. іtасопісиs і А. terreus. Промислове виробництво базується на використанні А. terreus (наприклад штам ЕУУ-417). Утворення ітаконової кислоти з вуглеводних джерел пов'язане з ЦТК, її попередником є цис-аконітова кислота (Див. рис.1).

    Виробництво ітаконової кислоти було налагоджено  в 60-х роках минулого століття. Для  її синтезу використовують Aspergillus terreus  який має ряд переваг :

1. А. terreus - є більш вивченим за інші продуценти.
2. Процес синтезу ітаконової кислоти грибом А. terreus відбувається  в ферментерах ,які не потребують особливих допоміжних засобів .
3. А. terreus в основному ростуть на доступному середовищі(меляса) .
4. Хімічний синтез є складнішим та економічно не вигіднішим ніж мікробіологічний. 

    Технологічний процес одержання ітаконової кислоти подібний до виробництва лимонної кислоти, оскільки ферментацію продуцента здійснюють поверхневим або глибинним способом.

    Поверхневе  вирощування продуцента здійснюють у кюветах, глибинне — у ферментаторах, обладнаних мішалками і барботерами.

    Ітаконова кислота у концентрації 7 % інгібує  ріст продуцента, тому у процесі біосинтезу необхідна її нейтралізація. Для цього найчастіше використовують гідроксид амонію, з допомогою якого підтримують рН середовища на рівні 3.8, в результаті чого синтезується до 150—200 г/л цільового продукту. Активаторами біосинтезу ітаконової кислоти є катіони магнію, міді і цинку.

    Вихід ітаконової кислоти за поверхневим  культивуванням досягає 36— 38 % у перерахунку на 100 г спожитої глюкози, за глибинним — 65 % і вище.

    Після закінчення ферментації міцелій  сепарують, промивають, віджимають і передають у збірник відходів; культуральну рідину освітлюють активованим вугіллям, упарюють приблизно до 1/10 первинного об'єму і передають на кристалізацію ітаконової кислоти. Кристали кислоти центрифугують, ви сушують і фасують. Додатково очищати кислоту можна перекристалізацієк з 25 %-х водних розчинів.

    Ітаконову кислоту використовують у хімічному  синтезі високоякісних смол, волокон типу «нітрон», детергентів, лікарських речовин, барвників і інших органічних сполук. [6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Характеристика  біологічного агента

      Положення грибів серед живих  організмів. Нині серед мікологів загальновизнаною є концепція про існування п'яти царств живих організмів, запропонована у 1969 р. Р. Уіттейкером. За уявленнями Р. Уіттейкером, два примітивних царства — прокаріотичних організмів (Ргосагуоtа), які характеризуються відсутністю ядерної мембрани як основної відмінної ознаки, та найпростіших (Ргоtіstа) одноклітинних організмів, які мають ядро з ядерною мембраною та характеризуються авто- та гетеротрофним типом живлення, є вихідними формами еволюції і виникнення відособлених трьох класів багатоклітинних організмів — рослин (Рlantae), тварин (Аnimalia) і грибів (Fungi). Отже, згідно з цією концепцією, гриби мають статус окремого царства органічного світу. У систематиках, опублікованих у 90-х рр. XX ст. (Д.Л. Хоуксворт, 1995 р.; Л. Маргеліс та К.В. Шварц, 1997 р.; Т. Кавалір-Сміт, 1998 р.), гриби також виділені в окреме царство. Мікологи вважають, що визнання факту незалежності грибів від царства рослин і тварин є одним з найважливіших досягнень загальної біології середини та кінця XX ст.

     За систематикою 70-80 років ХХ ст. гриб Аspergillus terreus відноситься до відділу Eumуcota, класу Аscomicetes , сімейства аспергілових (Аspergillaceae), роду Аspergillus.

     За систематикою Т.Кавалір-Сміта (1998р.) Аspergillus terreus відноситься до підцарства Neomycota, відділу Ascomycota, класу Аscomicetes, сімейства аспергілових (Аspergillaceae), роду Аspergillus

    За  сучасною філогенетичною систематикою:

›походження - Клітинні організми 
   › Надцарство - Eukaryota 
       ›Царство - Fungi 
         ›Підцарство -  Dikarya 
           › Відділ - Ascomycota 
             › Підвідділ - Pezizomycotina 
               › Клас - Eurotiomycetes 
                 ›Підклас - Eurotiomycetidae 
                   › Порядок - Eurotiales 
                     ›Родина - Trichocomaceae 
                        ›Рід - Aspergillus 
                           ›Вид - Aspergillus terreus[10]