2.3 Методы оптимизации питательных сред

Оптимальный состав питательных сред должны отвечать основным требованием, предъявляемым к составу питательной среды, является ли ее полноценность для роста продуцента и обеспечения синтеза целевого продукта. Оптимальный состав среды для каждого продуцента может быть определен двумя способами: методом эмпирического подбора и с использованием математических методов планирования экспериментов. Первый способ был до недавнего времени широко распространен во всех отраслях промышленности, использующих микроорганизмы. Знание физиологических особенностей микроорганизмов позволяло биологам методом подбора и изменения какого-либо из факторов на неизменном фоне остальных компонентов подобрать хорошую и продуктивную питательную среду, но такой способ очень длителен. Более прогрессивным в биологических исследованиях является использование математических методов планирования экспериментов, которые позволяют значительно быстрее найти и обосновать оптимальный состав питательной среды.

Большинство математических методов планирования экспериментов имеет целью получение математической модели процесса. Обработка экспериментальных данных ведется в четкой последовательности вычислительных операций и может быть выполнена вручную. Статистический анализ значимости коэффициентов полученного уравнения и его адекватности исследуемому процессу в изучаемом диапазоне изменения параметров процесса позволяет с достаточной уверенностью находить оптимальный состав среды и оптимальные условия культивирования по полученной математической модели процесса.

Для осуществления любого биотехнологического процесса микробного синтеза необходимы культура микроорганизмов, питательная среда, аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций, средства контроля и управления.

3 Образование продуктов при культивировании микроорганизмов

Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные характеристики производства биопрепаратов.

На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микроорганизмов.

Иногда (например, при производстве бактериальных препаратов) целевым продуктом является сама биомасса, в других случаях – продукты, синтезируемые клеткой (антибиотики, ферменты, аминокислоты и др.). При этом синтезируемый продукт может накапливаться как внутри клеток, так и выделяться в культуральную жидкость.

Необходимые полезные свойства целевых продуктов (клеток или продуктов метаболизма) создаются, в основном, на стадии культивирования. Основная задача на последующих стадиях состоит в том, чтобы при выделении, сушке и других операциях максимально сохранить и стабилизировать эти полезные свойства.

3.1 Первичные и вторичные метаболиты

Метаболиты - это промежуточные продукты обмена органических и неорганических веществ в живых клетках, которые бывают нескольких видов: первичными, вторичными, промежуточными, конечными, подвергающиеся и не подвергающиеся дальнейшей биотрансформациям. Последние выходят из организма с различными продуктами выделения.

Процессами биотрансформации называют реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них.

По отношению к процессу роста низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток делятся на первичные и вторичные метаболиты. Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. К ним относятся структурные единицы биополимеров - аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, а также витамины, коферменты, органические кислоты и другие соединения. Вторичные метаболиты (антибиотики, пигменты, токсины) - низкомолекулярные соединения, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста.