2. Суть біотехнологічних процесів, їх відмінності, переваги і проблеми порівняно з традиційними технологічними процесами

Існує багато визначень поняття "біотехнологія", у чомусь схожих, але інколи суттєво відмінних.

Найбільш повне таке визначення: біотехнологія — це застосування наукових та інженерних принципів для переробки речовин органічної і неорганічної природи біологічними агентами з метою одержання цінних продуктів та послуг. Біологічними агентами можуть бути будь-які природні біокаталізатори — клітини мікроорганізмів, рослин чи тварин або ферменти, що містяться в них.

Чому ж клітини можуть легко перетворювати речовини будь-якої природи — і при цьому таким чином, що з ними не в змозі конкурувати навіть завод з найсучаснішою могутньою апаратурою? Справа в тому, що будь-яка клітина містить набір різноманітних біокаталізаторів — ферментів. Це спеціалізовані макромолекули білку, здатні каталізувати перетворення різних речовин. Реакції, що проходять при фізичних і хімічних умовах, сумісних з біологічним життям, були б неможливі без ферментів. Підрахували, що фермент здатний здійснити 100 тис. молекулярних перетворень за хвилину, ці ж реакції без ферменту тривали б 10млрд років!

Мільйони років біологічної еволюції довели до досконалості унікальну білкову структуру ферменту. Насамперед біокаталізатори — це високоспецифічні системи. Кожен фермент є каталізатором хімічної реакції певного типу. Ця унікальна здатність приводить до того, що реакції, які каталізуються ферментами, йдуть з 100%-м виходом і без побічних продуктів, чого неймовірно важко досягти без біокаталізатора. Саме завдяки найтоншій специфічності цього процесу можлива сувора координація та впорядкованість тисяч реакцій, здійснюваних у живій клітині.

Друга істотна перевага ферментів — їх висока каталітична активність. Наприклад, амілаза, що каталізує розщеплення крохмалю, здійснює гідроліз 11∙10⁵ молекул субстрату за хвилину. Присутній в еритроцитах фермент карбоангідраза за цей же час встигає з'єднати воєдино 36 млн молекул вуглекислого газу і води. І при цьому така фантастична ефективність каталізу реалізується в дуже помірних, з погляду хімії, зовнішніх умовах: невисока температура, фізіологічні значення рН, нормальний атмосферний тиск.

Клітини мікроорганізмів мають унікальну властивість — здатність до швидкого росту і розмноження. Усього лише за 20—30 хв бактеріальна клітина збільшується в розмірі вдвічі і поділяється навпіл. Клітина тваринного організму проходить цей цикл за 24 години. Якщо зовнішні умови сприятливі для мікроорганізмів, розвиток клітини вступає у фазу інтенсивного розмноження і їхня чисельність зростає в геометричній прогресії. Якщо клітина ділиться через кожні 20 хв, за добу вона дасть потомство, що дорівнює 4,7∙10²¹ клітинам. Через таку швидкість росту обмін речовин бактеріальної клітини відрізняється високою інтенсивністю. Для забезпечення своїх біосинтетичних потреб бактерія зацікавлена в надходженні живильних речовин ззовні з такою швидкістю, що не буде лімітувати нарощування маси клітин. А швидкість надходження речовин у клітину регулюється тонкою оболонкою — клітинною мембраною. Чим більша поверхня мембрани і менший внутрішній об'єм клітини, тим більша можливість надходження до неї живильних речовин в одиницю часу. Закони математики свідчать, що відношення зовнішньої поверхні до об'єму для структур типу сфери різко зменшується при збільшенні її діаметра. Тому саме в дрібних клітинах мікроорганізмів цей параметр найбільший. Він дорівнює 12∙10⁶ м^-1 для бактерії, діаметр клітин якої 0,5 мкм. У людини масою 90 кг цей параметр менше майже в мільйон разів. Ось чому нарощування мікробної біомаси йде темпами, недоступними для тварин. Наприклад, корова, що важить 500 кг, за добу дає 0,5 кг білка. За такий же час 500 — кілограмова маса клітин дріжджів синтезує 50 т білкових речовин, а бактерії накопичують білок ще швидше, ніж дріжджі.

Завдяки специфічним властивостям мікроорганізмів істотні переваги біотехнологій порівняно з традиційними видами технологій приводять до наступного:

• біотехнологічні процеси мають низьку енергоємність;

• майже безвідходні та екологічно чисті;

• не залежать від кліматичних умов, можуть проводитись протягом цілого року;

• використовують незначні площі, що суттєво порівняно з сільськогосподарським виробництвом;

• використовують стандартне устаткування і препарати,

У той же час розвиток промислової біотехнології (БТ) створює ряд екологічних проблем, що також повинно прийматися до уваги.

Особливістю БТ виробництва є невелике утворення твердих відходів при одночасному використанні великої кількості води і повітря (в аеробних процесах).

На будь-якому БТ виробництві постійно вирішується два завдання:

• промислова асептика — усунення потрапляння сторонньої мікрофлори всередину біореактора;

• виключення потрапляння мікробів — продуцентів у повітряні чи водяні викиди, тобто охорона навколишнього середовища.

Хоча у БТ використовуються тільки непатогенні штами мікробів, потрапляння клітин у живому і навіть у вбитому вигляді в повітряне середовище небажане, тому що може викликати алергічні реакції у населення. Для цього на підприємствах передбачено вологе очищення повітря, що виходить із всіх апаратів.

Система водовикористання в БТ є більш складною, ніж навіть у хімічному виробництві, оскільки, крім оборотного водопостачання, необхідного для підтримки теплового режиму в біореакторах, потрібна велика кількість технологічної води для приготування живильних середовищ з дотриманням вимог ДСТ, а також для промивання, елюірування та інше.