Микробиологическая промышленность – одна из новых и быстро развивающихся отраслей народного хозяйства. Основная задача микробиологической промышленности – обеспечить народное хозяйство кормовыми белками, ферментами, антибиотиками, витаминами, аминокислотами, бактериальными удобрениями, средствами защиты растений и т. д. В одиннадцатой пятилетке намечено осуществить мероприятия по ускоренному развитию производства продукции микробиологического синтеза, обеспечив ее рост в 1,8–1,9 раза.

Промышленное производство продуктов на основе микробиологического синтеза имеет ряд преимуществ. Микроорганизмы в сотни раз продуктивнее животных и растений. Например, дрожжи, микроскопические грибы, бактерии имеют скорость роста почти в 500 раз большую, чем сельскохозяйственные культуры, и в 1000 раз большую, чем крупный рогатый скот. Так, за 1 ч выращивания в 1 м³ питательной среды можно собрать около 3 кг кормовых дрожжей в пересчете на сухое вещество. Это означает, что с 1 м³ аппаратуры за одни сутки можно получить около 30 кг белков. Для получения такого количества растительного белка из гороха потребовалось бы 18 га посевов этой культуры, а для получения в сутки такого количества животного белка необходимо содержать 100 коров.

Микробиологическим синтезом получают продукты, производство которых химическим путем либо невозможно, либо сложно и дорого. Например, при микробиологическом производстве ферментов, антибиотиков, витаминов все процессы протекают достаточно быстро при сравнительно низких температурах (20–60 ^°C) без использования высокого давления и глубокого вакуума. При этом значительно упрощается технология производства, уменьшаются капиталовложения и эксплуатационные расходы.

Исходным материалом микробиологического синтеза может быть доступное и дешевое сырье. Например, для производства гидролизных дрожжей, а также продуктов, образующихся в результате комплексной переработки сырья (фурфурол и его производные, гидролизный спирт и т. д.), служат отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности.

От применения продуктов микробиологического синтеза в народном хозяйстве получают большой экономический эффект. Включение в кормовые рационы аминокислот, ферментов, витаминов и других продуктов метаболизма способствует значительному увеличению привеса сельскохозяйственных животных и птиц, сокращению расхода корма на единицу продукции, ускорению откорма, снижению затрат труда. Микробиологические средства защиты растений позволяют уберечь урожай от вредителей, от различных заболеваний и дополнительно получить тысячи тонн сельскохозяйственных продуктов. Практическое использование биохимической деятельности микроорганизмов имеет многолетнюю историю. Такие традиционные производства, как хлебопечение, пивоварение, виноделие, приготовление уксуса и разнообразных молочных продуктов, основаны на процессах бактериального брожения. В качестве других примеров крупных производств, основанных на процессах микробного брожения, следует отметить получение спирта из углеводов, а также производство ацетона и бутанола. Для промышленного производства индивидуальных метаболитов микроорганизмы применяются недавно – всего несколько десятилетий. Уже в наше время было создано производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, ферментов, бактериальных препаратов для защиты растений от вредителей и т. д.

Развитию микробиологической промышленности способствовало создание в 1966 г. Главного управления микробиологической промышленности при Совете Министров СССР. Впервые была организована промышленность, построенная на иных основах, чем бродильная – на основах синтеза специфических молекул микроорганизмами. Следует отметить, что отдельные соединения могут быть получены как микробиологическим, так и органическим синтезом. В этой конкуренции более эффективным оказался микробиологический синтез. Поэтому в течение многих лет достаточно сложные молекулы ферментов, антибиотиков, витаминов получают при помощи микроорганизмов.

Технология микробиологических производств – наука о процессах и методах переработки различных видов сырья в конечные продукты с помощью микроорганизмов. Основой технологии являются два процесса: культивирование микроорганизмов на питательных средах с целью получения микробной массы или метаболитов, а также физико-химические методы выделения и очистки целевых продуктов для получения стандартных препаратов.

Научные основы переработки сельскохозяйственного сырья в белковые корма были заложены в годы первых пятилеток. Основной сырьевой базой для производства кормовых дрожжей являлись барда гидролизных и сульфитно-спиртовых заводов, щелоки целлюлозно-бумажных комбинатов, гидролизаты древесины и растительных сельскохозяйственных отходов. На первых этапах развития гидролизной промышленности было налажено производство этилового спирта. Когда была доказана эффективность скармливания дрожжей различным видам животных и птиц, потребность в этом продукте значительно возросла, так как дрожжи – наиболее ценный источник протеина. Это заставило ученых искать новые виды сырья для производства кормовых дрожжей. Было рекомендовано использовать гидролизаты слаборазложившегося торфа, отходы капролактамового производства, содержащие монои дикарбоновые кислоты, спирты и другие соединения.

В Советском Союзе успешно решена сложная проблема микробиологического синтеза белково-витаминных концентратов (БВК) из жидких очищенных парафинов. Это позволило начать строительство заводов по производству БВК большой единичной мощности. Большая заслуга в этом принадлежит Н. Д. Иерусалимскому, Г. К. Скрябину, А. Д. Гололобову, Н. Б. Градовой, Μ. Н. Мейселю, А. А. Покровскому и др., руководившим разработкой научных основ и технологии получения и применения белковых веществ из углеводородов нефти. За решение этой проблемы в 1971 г. этим ученым была присуждена Государственная премия СССР.

В настоящее время большую часть вырабатываемых промышленностью кормовых дрожжей составляют дрожжи, получаемые на средах с углеводородами. Всесоюзным научно-исследовательским институтом биосинтеза белковых веществ (ВНИИсинтезбелок) ρазрабатывается технология получения белковых веществ на основе микробиологической переработки природного газа, синтетического метилового и этилового спиртов, смеси кислот и т. д.

Большие заслуги в развитии микробиологической промышленности, несомненно, принадлежат современной генетике. В природе пока не удалось обнаружить микроорганизмы, способные к биосинтезу аминокислот в больших количествах. Только в результате селекционно-генетических исследований были созданы высокопродуктивные бактериальные штаммы – продуценты аминокислот, а на их основе –промышленное производство. Большая работа в этом направлении проведена Всесоюзным научно-исследовательским институтом генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ВНИИгенетика), а также лабораториями селекции многих отраслевых институтов и институтов системы Академии наук СССР.

Основной удельный вес в промышленном производстве аминокислот занимает L-лизин. Аминокислоту используют для сбалансирования рационов сельскохозяйственных животных и птиц, что позволяет снизить содержание растительных белков в кормах. Активный продуцент лизина Brevibacterium sp. 22 получен в Институте биохимии им. А. Баха АН СССР под руководством В. Н. Букина. Внедрению этого штамма в промышленность способствовали технологические разработки Института микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвийской ССР.

В процессе культивирования продуцентов в среде накапливается непосредственно L-аминокислота, при этом промышленное производство малостадийное и не требует сложной аппаратуры.

Производство органических кислот – лимонной, молочной, уксусной, итаконовой и глюконовой – относится к старейшим микробиологическим процессам, которые основаны на способности микроорганизмов к неполному окислению субстрата. В нашей стране разработки по технологии производства органических кислот, в частности лимонной кислоты, были начаты в 20–30-х годах под руководством В. С. Буткевича и С. П. Костычева. Были выяснены физиолого-биохимические особенности некоторых культур микроскопических грибов – активных кислотообразователей, а также обоснованы выходы лимонной кислоты в зависимости от количества сброженных Сахаров. На основе лабораторных исследований была разработана технология промышленного производства лимонной кислоты. В дальнейшем работа была направлена на замену сахара другими источниками сырья в производстве лимонной кислоты. В настоящее время на отечественных предприятиях лимонную кислоту получают путем сбраживания Сахаров мелассы.

В 20–30-х годах В. Н. Шапошников с сотр. изучали особенности питания молочнокислых бактерий и химизм образования молочной кислоты. На этой основе была разработана первая технологическая схема производства молочной кислоты и предложены методы получения концентрированных растворов ее. Существующие в настоящее время технологические схемы производства молочной кислоты мало отличаются от схемы, предложенной В. Н. Шапошниковым.

Из органических кислот, получаемых микробиологическим синтезом, большое внимание уделяется итаконовой кислоте, которая в последнее время находит широкое применение в производстве нитронного волокна. Первые сообщения об образовании итаконовой кислоты микроскопическими грибами рода Aspergillus (Asp. itaconicus, Asp. terreus) появились в 30-х годах. Было найдено, что эти микроорганизмы способны синтезировать итаконовую кислоту в значительных количествах при росте на средах, содержащих сахарозу или глюкозу.

Промышленное производство итаконовой кислоты из сахарозы с помощью культуры Asp. terreus было разработано учеными Института микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвийской ССР.

В условиях дальнейшей интенсификации сельского хозяйства важной задачей является защита растений от вредителей, болезней и сорняков. В СССР реализуется обширная программа по производству и применению микробных патогенов для борьбы с насекомыми – вредителями растений. Первые работы по выделению и изучению патогенных микроорганизмов относятся к 40-м годам. В 1949 г. Е. В. Талалаев выделил высокоэффективный возбудитель септицемии гусениц сибирского шелкопряда, который был назван Вас. dendrolimus. На основе этой культуры была разработана технология получения энтомопатогенного препарата – дендробациллина. В 1956 г. во Всесоюзном институте защиты растений (ВИЗР) была разработана технология производства первого отечественного бактериального препарата энтобактерина на основе культуры Вас. thuringiensis var. galleriae.

Работа с культурами Вас. thuringiensis ведется во многих научных учреждениях страны. Исследуются условия образования и эффективность действия токсинов на различные виды насекомых. Для защиты растений используются не только бактерии, но и другие микроорганизмы – грибы и вирусы.

В Украинском институте защиты растений (УкрИЗР) под руководством проф. М. А. Теленги получен на основе Beauveria bassiana первый грибной препарат боверин. Он эффективен в борьбе с вредителями полевых и садовых культур.

В комплексе биологических средств борьбы с вредными насекомыми особое место занимают вирусные препараты. Это в настоящее время важно, так как примерно 300 видов насекомых выработали устойчивость к инсектицидам. В настоящее время известно свыше 400 вирусов насекомых и клещей, которые способны вызывать массовые эпидемии среди чрезмерно разросшихся популяций насекомых.

В связи с охраной окружающей среды и заботой о здоровье человека в СССР поставлена задача исключить применение химических инсектицидов, когда борьбу с вредителями можно вести с неменьшим эффектом другими методами.

Микробиологический синтез широко используется в производстве кормовых препаратов витаминов B₂ и Bi₂. Особое место занимает цианкобаламин (витамин B₁₂). Он практически не встречается в растительных и животных организмах и является специфическим продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Для животноводства кормовой концентрат витамина В₁₂ получают путем метанового брожения, используя в качестве субстрата барду ацетонобутиловых и спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и мелассу. Такой способ производства кормового препарата витамина B₁₂ исключает применение сложных питательных сред, вредных химических веществ, дорогостоящей антикоррозийной аппаратуры и существенно упрощает технологию.

Разработку промышленных методов получения кормового препарата витамина B₁₂ осуществили в Институте биохимии им. А. Н. Баха АН СССР В. Н. Букин, В. Я. Быховский, Е. С. Панцхава и др.

Получение пенициллина положило начало промышленному производству не только медицинских, но и кормовых препаратов антибиотиков. Микробиологическая промышленность СССР вырабатывает специальные формы кормовых антибиотиков, предназначенные только для скармливания животным и совершенно не используемые в медицине и ветеринарии (гризин, бацитрацин и др.). В растениеводстве антибиотики применяются в качестве гербицидов, инсектицидов, стимуляторов роста. Эти препараты не загрязняют окружающую среду.

В нашей стране первые работы по использованию препаратов антибиотиков для защиты растений относятся к 50-м годам. Фитобактериомицин (ФБМ)–первый отечественный антибиотик, вырабатываемый специально для защиты растений от болезней. Выделение микроорганизма-продуцента (Act. Iavendulae), изучение его физиолого-биохимических свойств и биосинтез ФБМ осуществили сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института антибиотиков (ВНИИА) В. А. Семенова, Н. К. Соловьева и др. Технологическая схема производства препарата ФБМ была разработана сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института бактериальных препаратов (ВНИИбакпрепарат). С 1965 г. антибиотик рекомендован для использования в борьбе с бактериозами фасоли, сои и другими заболеваниями растений. Проводимые в настоящее время исследования направлены на совершенствование уже разработанных препаратов и создание новых, более эффективных.

В 30-х годах в нашей стране было начато систематическое изучение ферментов микроскопических грибов и бактерий, ставившее вполне определенную практическую задачу – применение ферментов микроорганизмов для усовершенствования многих технологических процессов в пищевой и легкой промышленности.

Промышленное производство ферментных препаратов в СССР было начато в 1951–1952 гг. по инициативе Всесоюзного научно-исследовательского института ферментной и спиртовой промышленности (ВНИИФС) и Украинского научно-исследовательского института пищевой промышленности (УкрНИИПП), впервые разработавших технологические схемы культивирования микроскопических грибов, которые составили основу для проектирования первых ферментных цехов.

Первые производственные установки для получения ферментных препаратов при культивировании микроскопических грибов рода Aspergillus в поверхностных условиях были созданы под руководством Л. И. Чекана. Получаемые препараты ферментов использовали для осветления соков. С 1942 г. Р. В. Фениксова занимается разработкой технологии поверхностного культивирования микроскопических грибов на твердых питательных средах. Полученный комплексный препарат амилолитических ферментов применяли для осахаривания крахмалсодержащего сырья при производстве спирта.

В УкрНИИПП под руководством Е. Я. Калашникова и Д. Б. Лившиц была освоена технология получения ферментов для обработки несоложеного сырья в пивоваренном производстве. В результате этих исследований в 1951 г. на Львовском пивоваренном заводе был введен в действие специальный цех по производству поверхностной культуры гриба Asp. oryzae.

В 60-х годах начинают действовать крупные цехи и предприятия по производству ферментных препаратов. На Московском опытном заводе ферментных препаратов и Вышневолоцком заводе ферментных препаратов на основе научных исследований ВНИИФС (Р. В. Фениксова, К. А. Калунянц, С. П. Колосков, Л. И. Голгер и др.) была освоена технология получения очищенных ферментов микробного происхождения.

В 1970 г. вводится в строй Вильнюсский опытно-промышленный завод ферментных препаратов, а в 1974 г. начинают выдавать продукцию новые цехи Вышневолоцкого завода ферментных препаратов, оснащенные механизированными установками, в комплекс которых входят камеры с вертикальными каналами.

Большой вклад в разработку технологических схем производства ферментных препаратов поверхностным и глубинным способом внесли сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского биотехнического института (ВНИИбиотехника) К. А. Калунянц, С. А. Коновалов, Л. И. Голгер и др. Разработаны способы выращивания микроорганизмов на твердых сыпучих средах методом объемной аэрации, новые методы непрерывного культивирования микроорганизмов – продуцентов пектолитических, гемицеллюлазных и протеолитических ферментов, промышленные способы концентрирования, очистки и сушки, а также технологические схемы получения технических, очищенных и кристаллических ферментов из культур микроорганизмов, выращенных в глубинных условиях и др.

В настоящей книге авторы ставили задачу наряду с некоторыми специальными знаниями дать инженеру-технологу те сведения, которые составляют основу общей технологии микробиологических производств.