Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств

Биотехнологическим процессом называют синтез какого - либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов - биологических катализаторов.

Основными особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются: участие микроорганизмов, сложный состав реакционной среды, сложный механизм реакции и длительность её протекания, чувствительность к внешним условиям (стерильности, давлению, температуре и т. п.).

Биотехнологические продукты получают по индивидуальным технологиям со своими агентами, сырьём, количеством стадий, технологическими режимами. Тем не менее можно выделить схему, типовую для данных производств. Общий вид её приведён на рис. 4.


Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главная задача которой - получение определённого органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов, с помощью которых сырьё превращается в тот или иной конечный продукт (см. рис. 4).

Ферментация - особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.

Биотрансформация - процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.

Биокатализ - химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов - ферментов.

Биоокисление - потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение - переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование - снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твёрдых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция - сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закреплёнными на специальных твёрдых носителях.



Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворённое состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.

Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, её стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.

Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:

• отстаивание - разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);
• фильтрация - пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;
• сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;
• флотация - выделение биомассы из её пенной фракции;
• коагуляция - отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.

Выделение продуктов биосинтеза, очистка и концентрирование продукта являются вспомогательными процессами для получения продукта в готовой форме. Некоторые отличия имеются только на стадии выделения продуктов биосинтеза для внутри- и внеклеточных продуктов. Так, для внутриклеточных продуктов необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов- дезинтеграцией клеток, гидролизом, ферментолизом, автолизом и т. д.

Дезинтеграция клеток осуществляется физическими (ультразвук замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами.



Гидролиз - разрушение клеточных оболочек под действием химических реагентов и температуры.

Ферментолиз - разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.

Автолиз - разновидность ферментолиза, когда используются собственные ферментные клетки.

Общими для выделения внутри- и внеклеточных продуктов являются экстракция осаждение, адсорбция, ионный обмен, отгонка, ректификация ультрарование   и нанофильтрация, обратный осмос, центрифугирование, ультрацентрифугирование.

Экстракция - переход целевого продукта из водной фазы в несмешивающуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Экстракция прямо из твердой фазы, в том числе и биомассы организмов, называется экстрагированием.

Осаждение - выделение целевого продукта путём добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворённым продуктом и переводящего его в твердую фазу.

Адсорбция - перевод растворенного в жидкости продукта в твёрдую фазу путём его поглощения твёрдым носителем - сорбентом.

Ионный обмен сходен с адсорбцией, но в этом случае в твёрдую фазу переходят ионы (катионы или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.

Отгонка, ректификация используются для выделения растворённых в культуральной жидкости легкокипящих продуктов, например, этилового спирта.

Ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полипептидов, полинук-леотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделить даже небольшие по размеру молекулы.

Центрифугирование, ультрацентрифугирование используют для выделения вирусов, клеточных органелл, высокомолекулярных соединений.

Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.

Хроматография используется для разделения смесей веществ, часто очень близких по строению. Процесс проводят в специальных хроматографических колонках, заполненных твердым сорбентом. Все вещества сначала адсорбируются на этом сорбенте. Десорбция же разных по молекулярной массе соединений проходит с разной скоростью, что позволяет разделять и очищать их друг от друга, используя подходящий растворитель.

Диализ используется для разделения смесей низко- и высокомолекулярных соединений. Процесс основан на способности низкомолекулярных веществ проходить через мембрану, являющуюся непроницаемой для высокомолекулярных соединений. Таким путём осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.

Кристаллизация - процесс, основанный на различной растворимости веществ при разных температурах. Как правило, в ходе этого процесса выделяют твердые целевые продукты, а примеси остаются в маточном растворе. Так, например, получают кристаллы пенициллина.

В зависимости от места, которое занимают биотехнологические продукты в типовой технологической схеме, они могут представлять собой: 1) газы со стадии ферментации (примеры - углекислый газ, биогаз)- 2) среду ферментации - кулыпуральную жидкость вместе с микроорганизмами (пример - кефир) или твердый субстрат (пример - сыр)- 3) концентрат культуральной жидкости (пример - кормовой лизин)- 4) жидкость, полученную после отделения биомассы от культуральной жидкости (пример - квас, пиво)- 5) инактивированную биомассу (пример - кормовые дрожжи)- 6) жизнеспособную биомассу - биопрепарат (пример - пекарские дрожжи, силосные закваски)- 7) ослабленную биомассу (пример - живые вакцины)- 8) очищенный поток жидкости при очистке сточных вод и т.д.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов