Получение микробных полисахаридов в промышленности

      Комментарии к записи Получение микробных полисахаридов в промышленности отключены

Открытие новых микробных полисахаридов, имеющих практическое значение, обусловило успехи в области организации их производства. В настоящее время микробиологическая промышленность многих стран выпускает ряд ценных экзогликанов: декстран (Россия и другие страны;, ксантан (США, Франция), пуллулан, курдлаи (Япония), склероглюкан, или политран, заифло (США). Решаются вопросы внедрения в производство ряда других полисахаридов, детально изученных в лабораторных условиях, проверенных на практике и производимых в полупромышленном масштабе.

Получение различных полисахаридов не универсально. Для каждого гликана оно имеет свои особенности, определяемые физиологией продуцента, локализацией и физико-химическими свойствами полимера, областью его применения.

Производство экзополисахаридов имеет преимущества перед получением внутриклеточных, так как экзогликаиы образуются, как правило, в значительно большем количестве, легче отделяются от биомассы и очищаются от примесей. Однако в этом процессе имеются и некоторые технологические трудности. Накопление полисахарида в среде приводит к ограничению доступа кислорода к клеткам. У аэробных микроорганизмов это снижает энергетический баланс и тормозит синтез гликана. Повышенная вязкость среды делает невозможным отделение последнего от клеток продуцента из нативной культуральиой жидкости. Ее приходится разбавлять в несколько десятков раз, а после удаления клеток концентрировать до первоначального или меньшего объема. Решение этих проблем связано с дополнительными затратами.

Приведем основные этапы производства наиболее широко применяемого сейчас полисахарида — декстрана (рис. 10).

Приготовление посевного материала культуры Leuconostoc mesenteroides в лаборатории

I

Выращивание посевного материала культуры Leuconostoc mesenteroides в ипокуляторс

I

Процесс биосинтеза декстрана культурой Leuconostoc mesenteroides в ферментаторе

I

Химическая очистка декстрана из культуральной жидкости

I

Первое и второе переосаждение нативного декстрана

I

Отгонка спирта из раствора иод вакуумом
Кислотный гидролиз нативного декстрана
V
Фракционирование частично гидролизованного декстрана
V
Первое и второеосаждение и отделениевысокомолекулярнойфракции декстрана Осаждениесреднемолекулярнойфракции декстрана Первое и второепереосаждсниссреднемолекулярнойфракции декстрана
Вторая химическая очистка среднемолекулярной фракции декстрана
Первая стерилизация раствора среднемолекулярной фракции декстрана с углем
Деминерализация раствора с углем
Вторая стерилизация раствора среднемолекулярной фракции декстрана с углем
Корректировка раствора перед розливом
Розлив, стерилизация готового продукта, маркировка и упаковка готового продукта

Рис. 10. Схема производства декстрана с целью получения кровезаменителей

Плазмозаменители из декстранов выпускают под различными названиями: клинический декстраи, полиглюкин, синкол, макродекс, плаз-модекс, хемодекс и др. Для получения декстранов используют штаммы Leuconostoc mesenteroides. Ферментацию ведут на среде с 10 — 30 % сахарозы, декстраном-затравкой, дрожжевым экстрактом, минеральными солями. Создают условия, способствующие синтезу той формй декстранаг которая используется в качестве плазмозамеиителя: линейного глюкана, имеющего более 90 % а-1,6-связей, с молекулярной массюй 60 — 80 кДа. Для этого ограничивают содержание в среде магния, Симулирующего синтез разветвленных декстранов, вносят затравку \в виде декстрана, имеющего молекулярную массу 20 — 30 кДа. ткой акцептор обеспечивает преимущественное образование необходимого полимера.

Наивысшей биологической активностью отмечаются декстраны, содержащие менее 70 % сс-1,6-гликозидных связей, т. е. более разветвленные. Их синтезу способствует кроме магния замена сахарозы мелассой. Оптимальное значение рН для роста продуцента находится в пределах 6,5 — 8,0, а для накопления декстрансахаразы — около 7,0. Для среды оно обычно задается в интервале 7,0 — 8,0.

Бактерий расщепляют сахарозу на глюкозу и фруктозу. Последняя сбраживается по типу гетероферментативного молочно-кислого брожения с образованием молочной и уксусной кислот, маннита и С02. Глюкоза|полимеризуется в декстран. Процесс идет быстро, и продукт можнЬ получить уже через 24 ч.

Декстраи выделяют из культуральной жидкости, например, метанолом. Можно,|используя определенные приемы, осаждать фракции клинического дфкстраиа с молекулярной массой 60 — 80 кДа даже из смеси этих полисахаридов разной молекулярной массы. Возможно осадить весь продукт, растворить его в воде и изолировать требуемый декстран фракционированием. При необходимости его деполимери-зуют (ферментативно, термической обработкой или ультразвуком), а для очистки неоднократно растворяют в воде, переосаждают метанолом и фракционируют.

Поскольку декстрансахараза в значительной степени выделяется в среду и синтез полимера идет вне клетки, декстраны получают и ферментативным путем. Для этого продуцент выращивается в условиях, обеспечивающих наиболее высокую активность внеклеточного ферментного комплекса. В период максимальной активности декстрансахаразы культуральную жидкость отделяют от клеток и консервируют, снижая значение рН до 5,0 — 5,2. При такой кислотности и температуре около 15 °С декстрансахараза, содержащаяся в культуральной жидкости, сохраняет активность не менее месяца. В нашей стране разработана технология получения частично очищенной декстрансахаразы. Ферментационная среда должна содержать сахарозу и декстран-затравку. Процесс синтеза продолжается около 8 ч. Ферментативный способ удобнее микробиологического, так как он

поддается более надежному контролю и регулированию, позволяет одним только варьированием исходных концентраций сахарозы и фермента, а также температуры процесса сразу получать декстраи необходимой молекулярной массы. Это значительно упрощает и удешевля-ет последующие технологические операции. Широкое применение в промышленности может найти использование иммобилизоваииых/дек-страисахараз.

В нашей стране в 1983 г. выпущена первая промышленная серия конъюгатов модифицированного декстрана со стрептокиназой + стреп-тодеказа — пролонгированная с помощью декстрана форма/Ьтрепто-кипазы.

Ксаитаи, продуцируемый Xanthomonas campestris, выпускают под названиями: биополимер Хс, келцан, ксаитаи, келтрол. Бактерии культивируют на среде, содержащей 1 — 5 % углеводов (кукурузный крахмал, сахар-сырец, меласса и др.), органическое соединение азота, дву-замещепный фосфорпо-кислый калий и микроэлементы, оН среды составляет 6,5 — 7,2. Инкубацию проводят в аэробных уровнях при 28 °С и в течение 72 ч. Для улучшения свойств полисахарида к среде во время ферментации добавляют формальдегид. Это позволяет получать гликан с повышенной устойчивостью к различным неблагоприятным факторам, в том числе к температуре и засолению. Полимер используют в виде раствора вязкой культуралыюйркидкости или в виде порошка, высушенного в струе горячего воздуха. В последнем случае полисахарид отделяют от клеток центрифугированием и очищают осаждением этанолом, метанолом или ацетоном/в присутствии электролита.

Интенсивные поиски микроорганизмов, синтезирующих полисахариды типа ксаптана, ведутся в различных странах.’Активные продуценты среди бактерий рода Xanthomonas найдены в нашей стране. Разрабатывается технология получения отечественного ксаптана в промышленном масштабе.

Нередко нативные полисахариды не обладают желаемыми качествами. Они могут быть, например, недостаточно активны или, будучи высокоэффективными, плохо растворимы или токсичны, что препятствует их применению, и т. д. Чтобы улучшить их действие, устранить или снизить нежелательные явления, т. е. получить препарат с нужными свойствами, выделенные полисахариды иногда подвергают химической модификации. Так, декстран сульфатируют, чтобы придать ему аитикоагулирующую активность. Обработка пативпого гликапа Л. faecalis var. myxogenes солюбилизирующими агентами позволяет получить производные, образующие гели без предварительного нагревания. Растворимость глюкапа Л. pullulans и маниапа R. rubra удается повысить карбоксиметилированием. Снижение токсичности противоопухолевого препарата белково-липополисахаридного комплекса из культуральиой жидкости Serratia piscatorum достигается обработкой его щелочью. Получение производных полисахаридов связано с дополнительными технологическими операциями.

Все более широкое применение для производства экзогликаиов находит метод непрерывного культивирования продуцентов. С его помощью в ряде стран уже производят многие перспективные в практическом отношении полисахариды (ксаптаи, курдлан и др.). Этот способ весьма эффективен и экономичен, поскольку позволяет длительно получать продукт в период его максимального накопления и наиболее полно использовать субстрат. Подсчитано, что процент конверсии углеродного субстрата в экзополисахариды при проточном культивировании в 2 — 3 раза выше, чем при периодическом. Обычно в качестве лимитирующего фактора в хемостате используют азот, а также фосфор и серу. Это обеспечивает интенсивное накопление экзогликаиов. Благодаря правильному подбору условий ксаптаи получают при непрерывном культивировании продуцента в течение многих сотен часов.

В настоящее время разрабатывается производство ряда других практически цепных полисахаридов. Так, па опытной установке Красноярского завода медпрепаратов получают аубазидан и суспензии сульфата бария на аубазидаие. Создается опытио-промышлениая установка для наработки машина, продолжаются эксперименты по получению проДигиозаиа и группоспецифических полисахаридов менингококков (вакцин).

Перед микробиологическим производством полисахаридов стоит ряд задач. Одна из важнейших — замена дорогостоящих Сахаров (традиционного источника углерода для получения многих полисахаридов) более дешевым сырьем. В связи с этим ведутся поиски микроорганизмов, растущих и образующих полисахариды при использовании углеводородов, этанола, метанола. Спирты как источники углерода, несомненно, удобнее углеводородов, так как они хорошо растворимы в воде, что значительно упрощает технологию выделения и очистки продукта. Использование для культивирования микроорганизмов более простых по составу сред — синтетических или диализоваи-ных — необходимо при получении высокоочищеииых антигенов. Дешевый субстрат — гидролизат торфа — предлагается использовать для производства пуллулана.

Необходимы поиск новых продуцентов полисахаридов с полезными свойствами, особенно внеклеточных, и селекционно-генетические исследования перспективных микроорганизмов с целью получения вариантов с повышенной продуктивностью гликаиов. Метод экспериментальной селекции активных штаммов нередко оказывается более быстрым и экономичным в сравнении с поиском таковых в природных условиях. Так, в результате действия низкой температуры с последующим облучением быстрыми нейтронами удалось отобрать варианты X. campestris, обладающие повышенным синтезом ксаитана.

Поскольку микроорганизмы являются поистине неиссякаемыми источниками полисахаридов, можно не сомневаться, что среди этих полимеров будут обнаруживаться вещества, оригинальные в химическом отношении и представляющие большую ценность для практики.

Дополнительные материалы:

Производство целлюлозы: Сделано в России. Утро на 5


Похожие статьи: