Процессы в биотехнологии

Видео: Септик и септические процессы

Важной задачей в создании любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него.

При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенные отличия от химических, поскольку в биотехнологии используют более сложную организацию материи - биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) - это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков - возрасту, физиологической активности, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов среды.

Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет 10-4-10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью среды.

В основу подразделения биотехнологических процессов могут быть положены различные принципы, например, оценка принадлежности объектов к надцарствам живых существ, функциональной активности биообъекта, возможности вычленения отдельных этапов из биотехнологических схем производства в виде самостоятельных процессов: выделение, очистка и упаковка готового продукта и т.д. (табл. 2.1).


Классификационные схемы подобного рода оправданы и ими можно пользоваться как равноправными.

Биотехнологические процессы условно можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые - на использовании ферментов и третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным (получение аминокислот и др.) или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.).

В общем виде любой биотехнологический процесс включает 3 основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена схемой, в которой сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов (рис. 2.1).

Предферментационная стадия

На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха.

Компоненты питательных сред подбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией того или иного источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит при учете расходуемой (выделяемой) энергии. Обычно качественный и количественный состав питательных сред указан в регламентной документации.

Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии для получения целевых продуктов: чаще всего это биомасса микроорганизмов - продуцентов. Таковыми являются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений).



Продуцент, его физиологобиохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку продуцента в количествах, требуемых для начала процесса.

Промышленный штамм в идеале должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) стабильности структурно-морфологических признаков и физиологической активности и эксплуатации в производстве;
2) повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(ов);
3) достаточно широкому диапазону устойчивости к воздействию неблагоприятных внешних факторов (колебания температуры, рН, перемешиванию, вязкости среды);
4) умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания- чем более широкий набор источников углерода, азота и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче его культивировать, и с большей выгодой.



При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, т. е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментаторов. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный продуцент по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия.

Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются разные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьируют.

Дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с технологическим регламентом конкретного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментаторы с помощью вакуумных насосов.

Часто применяют принцип предварительных смесей, т.е. соли предварительно растворяют и затем транспортируют по трубопроводам, дозируя их подачу по объему.

В силу исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации сред, методов и аппаратуры, рассмотрение данных элементов далее будет связано с конкретными биотехнологическими производствами.

Ферментация

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов. Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментаторе) и может быть организована различными способами в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта.

Ферментация может происходить в строго асептических условиях или без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация)- на жидких и твердых средах, анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация может протекать, в свою очередь, поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды). Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.

В ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста, стационарную и отмирания (рис. 2.2). При этом происходят существенные изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды.


Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты - ферменты, аминокислоты, витамины, т. е. вещества, которые требуются для роста культуры клеток) и стационарной (вторичные метаболиты - антибиотики, алкалоиды, гормоны, токсины - низкомолекулярные вещества, не требующиеся для роста культуры, но необходимые для функционирования зрелой популяции, часто выполняющие защитную функцию) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимального производства того или иного целевого продукта.

Непрерывная ферментация биообъектов осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны, т. е. в стационарной фазе. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения.

Первый пример - так называемая тубулярная культура: процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательная среда и инокулят, а с другой - с той же скоростью вытекает культуральная жидкость и целевые продукты. Данная система проточной ферментации является гетерогенной и реализуется, как правило, без перемешивания.

При непрерывной ферментации в ферментаторах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии.

Обеспечение процесса ферментации с точки зрения инженерной реализации сводится к дозированному поступлению в ферментатор потоков (инокулята, воздуха или газовых смесей, питательных биогенных элементов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также к измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта.

В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик