Сырьевые материалы и перспективы биотехнологии.

Наиболее важным критерием, определяющим выбор сырья для био­технологических процессов, являются: стоимость, наличие в достаточ­ных количествах, химический состав, форма и степень окисленности ис­точника углерода и т. п. В настоящее время наиболее широко используе­мыми и коммерчески выгодными материалами являются крахмал (пре­имущественно кукурузный), метанол, меласса и сырой сахар. Практиче­ски нет сомнения в том, что зерновые (в частности, кукуруза, рис и пше­ница) будут основными краткосрочными сырьевыми материалами для биотехнологических процессов именно в тех странах, где развиты интен­сивные биотехнологические процессы.

Следует отметить, что биотехнология на совре­менном этапе своего развития преимущественно ориентируется на раз­личные виды недорогого, легкодоступного и возобновляемого сырья, наиболее значимым из которого является растительная масса. При кон­версии субстратов в биотехнологических процессах основное внимание обращается на создание безотходных производств, когда побочные про­дукты одного процесса служат питательными субстратами для после­дующего.

ЛЕКЦИЯ 4. ТЕХНОЛОГИЯ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ

ПРОЦЕССОВ

1 Биореакторы.

2 Конструкция биореакторов.

3 Специализированные ферментационные процессы.

При ферментационной технологии можно использовать цельные живые клетки (микроорганизмы, клетки животных или растений) или клеточные компоненты с целью физиче­ских или химических преобразований органических веществ. Однако не­достаточно получать требуемые изменения веществ, метод должен иметь преимущества перед другими, применяемыми в настоящее время техно­логиями производства этих же самых продуктов.

Преимущества производства органических продуктов биотехноло­гическими способами перед чисто химическими методами достаточно многогранны:

· Многие сложные органические молекулы, такие, как белки и антибио­тики, не могут практически быть синтезированы химическими спосо­бамии.

· Биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого про­дукта.

· Биологические системы функционируют при более низких температу­рах, близких к нейтральному значениях рН и т. п.

· Биологические реакции намного специфичнее, чем ре­акции химического катализа,

· Биологические процессы обеспечивают почти исключительно продук­цию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это часто бывает в реакциях химического синтеза.

Но вместе с тем биологические способы в сравнении с химическими методами обладают рядом явных недостатков:

· Биологические системы могут легко быть загрязнены посторон­ней нежелательной микрофлорой.

· Целевой продукт, синтезируемый биологическим способом, при­сутствует в довольно сложной смеси, что обусловливает необхо­димость разделения его от примеси ненужных веществ.

· Биотехнологические производства требуют больших количеств воды, которую в итоге необходимо удалять, сбрасывая в окру­жающую среду.

· Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со стандартны­ми химическими процессами.

Для каждого биотехнологического процесса должна быть разрабо­тана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. Для большинства практических биотехно­логических процессов такими системами являются ферментеры или био­реакторы, которые обеспечивают необходимые физические условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со средой и поставляемым материалом.

Биореакторы.

Основное требование к биореакторам любого типа сводится к обес­печению оптимальных условий роста продуцента или накоплению син­тезируемого им продукта. Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям организма-продуцента, из ростовой среды должны быть удалены соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, должна быть подобрана соответст­вующая посевная доза и, наконец, обеспечены все остальные требуемые физико-химические условия. Экономически рентабельные процессы в своей основе весьма сходны, независимо от избранного продуцента, ис­пользуемой среды и образуемого продукта. Фак­тически один и тот же биореактор (лишь с небольшими изменениями) может быть использован для производства ферментов, антибиотиков, ор­ганических кислот или одноклеточного белка.

Биотехнологические процессы отличаются от про­цессов химического синтеза и могут быть двух типов: периодическими и непрерывными. Специфика биотехнологических процессов состоит в том, что в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает доволь­но существенное влияние на процессы массообмена (обмена веществ между различными фазами - перенос кислорода из газообразной фазы в жидкую) и теплообмена (перераспределение тепловой энергии между взаимодействующими фазами). Поэтому одним из важнейших механизмов биореакторов является система перемешивания, обеспечивающая однородность условий в аппарате.

Другим существенным различием между биотехнологическими и химическими процессами является необходимость создания аэробных или анаэробных условий, требуемых для культивирования соответствующего организма. Поэтому в определенных случаях необходимо пода­вать кислород и удалять образующиеся газообразные продукты иного рода, в первую очередь двуокись углерода (СО₂). Системы аэрациизачастую бывают очень сложной конструкции, поскольку они должны обеспечить баланс между расходом О₂ и его по­ступлением в нужных количествах, учитывая тот факт, что потребность в кислороде не одинакова на различных стадиях культивирования.

Крайне важным является обеспечение должного уровня теплообме­на в биореакторах, поскольку жизнедеятельность и метаболическая ак­тивность объектов зависит в значительной степени от колебаний темпе­ратуры.

Еще одной серьезной проблемой при культивировании в биореакто­рах является пенообразование,связанное с необходимостью аэрирования содержимого, в котором постоянно присутствуют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Это заставляет интенсивно разрабатывать эффектив­ные системы пеногашения.

Специфическим элементом биореактора является система, обеспе­чивающая стерильностьпроцесса. Стерилизация осуществляется на разных этапах процесса, как до его начала, так и при осуществлении и после окончания. Таким образом, процессам стерилизации в биотехнологическом производстве отводится важное место.

В последнее время в биотехнологию внедряется принцип дифференцирования режимов культивирования: разные этапы одного и того же процесса осуществляются при различных условиях - температура, рН, аэрация и т. п. Естественно, это создает новые (дополнительные) требо­вания при конструировании реакторов. Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов со­временные биореакторы должны обладать следующими системами:

• эффективного перемешивания и гомогенизации среды выращивания;

• обеспечения свободной и быстрой диффузии газообразных компонен­тов системы (аэрирование в первую очередь);

• теплообмена, обеспечивающего поддержание оптимальной температу­ры внутри реактора и ее контролируемые изменения;

• пеногашения;

• стерилизации сред, воздуха и самой аппаратуры;

• контроля и регулировки процесса и его отдельных этапов.

При разработке новых биотехнологических процессов сначала прибегают к периодическому культивированию. Периодическое культивирование включает несколько этапов: стерилизацию сред и оборудования, загрузку биореактора питательной средой, внесение посевного материала, выращивание культуры, отделение и очистку готового продукта. После окончания последнего этапа производится мойка биореактора и подготовка его к новому циклу.

При этом типе культивирования рост клеточной популяции подразделяется на несколько фаз: 1) После введения инокулята обычно наблюдают индукцион­ный период (лаг-фаза) (1),в течение которого не происходит сколько-нибудь заметного увеличения числа клеток или образо­вания каких-либо продуктов. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию новых субстратов, активируется биосинтез белка. 2) Индукционный период сменяется фазой экспоненциального роста (2),в течение которой быстро накапливаются биомасса и продукты разных реакций. Эта фаза достаточно строго описывается экспоненциальной кривой. 3) В замкнутой системе экспоненциальная фаза роста не может развиваться неограниченно. Как правило, она переходит в фазу линейного роста (3),характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры. В этой фазе уже имеет место от­клонение точек в сторону меньших значений количества клеток или продуктов, что служит эксперимен­тальным критерием пе­рехода культуры в ли­нейную фазу роста. 4) Фаза линейного ро­ста может смениться весьма непродол­жительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста(4). 5) В некоторых случа­ях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую и продолжительную стационарную фазу (5).В этих условиях культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток. Режим характеризуется достаточно высокими скоростями отмирания клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток. 6) Если система полностью истощается по субстрату или накопление ингибирующих рост продуктов является значитель­ным, то скорость прироста биомассы становится равной нулю, происходят существенные физиологические изменения клеток и, как правило, наблюдается фаза отмирания культуры (6).

Биотехнологически ценные продукты синтезируются как в экспо­ненциальной фазе (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так назы­ваемые первичные метаболиты), так и в стационарной фазе роста (анти­биотики, пигменты и т. п. - так называемые вторичные метаболиты).

Довольно широко в биотехнологии используется периодическое культивирование с подпиткой, при котором, помимо первичного внесе­ния питательного субстрата до засева культуры, в процессе культивиро­вания в аппарат через определенные интервалы добавляют питательные вещества либо порциями, либо непрерывно "по каплям".

Существует также отъемно-доливочное культивирование, когда часть содержимого биореактора периодически изымается и добавляется равное количество питательной среды. Такой прием обеспечивает регу­лярное "омолаживание" культуры и задерживает ее переход в фазу отмирания. Этот прием иногда называется полунепрерывным культивированием.

Модификацией периодического культивирования является культи­вирование с диализом, при котором питательный субстрат постоянно по­ступает в реактор через специальную мембрану. Диализ ведет к сниже­нию концентрации продуктов жизнедеятельности клеток, неблагоприятно влияющих на их жизнеспособность. Помимо этого, диализ удаляет из культуры часть жидкости, что позволяет получать в конце процесса кон­центрированную биомассу.

В непрерывных процессах культивирования клетки постоянно под­держиваются в экспоненциальной фазе роста. С этой целью в биореактор подается свежая питательная среда и обеспечивается отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Основным принципом непрерывных процессов (как уже отмечалось выше) является точное соблюдение равновесия между приростом биомассы вследствие деления клеток и их убылью в результа­те разбавления содержимого свежей средой. Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования.

При хемостатном режиме культивирования саморегулируемая сис­тема возникает в силу следующих причин: если первоначальное поступ­ление свежей питательной среды и вымывание биомассы превышает скорость деления клеток, то в результате разбавления культуры снижает­ся концентрация веществ, ограничивающих ростовые процессы и ско­рость роста культуры повышается; увеличивающаяся популяция начина­ет активнее "выедать" субстрат, что в свою очередь приводит к торможе­нию роста культуры. Конечным итогом этих процессов является (после серии затухающих колебаний) установление равновесия между скоро­стью роста культуры и ее разбавлением.

Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Его конструкция предусматривает наличие: 1) приспособления для подачи питательной среды; 2) устройства, обес­печивающего отток культуральной жидкости вместе с клетками, и 3) сис­темы, контролирующей концентрацию элементов питательной среды и управляющей скоростью подачи питательной среды.

Последнее является наиболее важным и наиболее сложно осущест­вимым устройством.

Турбидостатный режим культивирования базируется на прямом контроле концентрации биомассы. Наиболее распространенным методом ее определения является измерение светорассеивания с помощью фото­элементов. Повышение концентрации клеток и соответственно оптиче­ской плотности автоматически ускоряет проток жидкости и наоборот. По своей конструкции турбидостаты отличаются от хемостатов лишь систе­мами контроля скорости протока.

Хемостаты применяются в процессах, характеризующихся малым протоком, когда концентрация клеток изменяется незначительно с изме­нением скорости протока, что облегчает саморегулировку системы. Турбидостаты используются в процессах, характеризующихся высокой скоростью разбавления при быстром и резком изменении концентрации биомассы.