2. Взаимосвязь биотехнологии с различными отраслями науки (30 баллов).

В настоящее время биотехнология представляет собой биоиндустрию, которая включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые традиционные методы, а с другой – отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности относятся синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики – получение метанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии – извлечение некоторых металлов из бедных руд. Во второй группе отраслей биотехнология охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекцию сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биопестицидов и биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработку вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистку сточных вод, переработку хозяйственных отходов, изготовление компоста, производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).

3. Способы культивирования микроорганизмов (25 баллов).

1. Культивирование микроорганизмов может происходить периодическим и непрерывным методами. Когда применяют периодический метод культивирования микроорганизмов, то весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют посевной материал и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы микроорганизмов или метаболитов — продуктов их жизнедеятельности. При периодическом культивировании изменяется состав среды: уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается содержание метаболитов. Так, в экспоненциальной фазе роста микроорганизмов питательные вещества среды быстро истощаются и происходит накопление продуктов метаболизма, в результате чего культура переходит в стационарную фазу. Таким образом, при периодическом методе изменяются темп роста, морфология и физиология культивируемого микроорганизма. К тому же возникают технологические трудности — циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и регулирование процесса.

Указанные трудности можно устранить применением проточных, постоянно обновляемых сред, т. е. при непрерывном культивировании, методы которого разработаны С.В. Лебедевым, А.А. Андреевым, Н.Д. Иерусалимским и другими учеными. Из непрерывных методов лучше всего разработан так называемый метод глубинной ферментации. Характерным для этого метода является то, что клетки микроорганизмов суспендированы в питательной среде и находятся во взвешенном состоянии. При этом методе в ферментатор с культурой микроорганизма — продуцента непрерывным потоком поступает свежая питательная среда и постоянно вытекает готовая культуральная жидкость вместе с клетками введенной культуры микроорганизма.

При непрерывном культивировании можно задержать культуру на любой стадии развития и заставить клетки размножаться с соответствующей скоростью по экспоненциальному закону.

Процесс непрерывного культивирования может быть гомо- и гетерогенно-непрерывным. Способ проточного культивирования, при котором во всех точках ферментатора благодаря интенсивному перемешиванию сохраняются одинаковые параметры среды и содержание микробной биомассы в единице объема жидкости остается все время постоянным, называют гомогенно-непрерывным. Применение такого способа обеспечивает постоянство состава среды в ферментаторе.

Когда культивирование проводят в одном ферментаторе, непрерывность процесса создается благодаря подвижному равновесию между приростом микробной биомассы и уменьшению ее за счет разбавления культуры свежей средой. В бродильном производстве распространен гетерогенно-непрерывный метод, при котором процесс ведется в батарее последовательно соединенных ферментаторов. Состав жидкости, протекающей через аппараты, постепенно изменяется согласно некоторому градиенту. Поэтому этот способ известен так же, как градиентно-непрерывный. Питательная среда поступает в первый ферментатор, а готовая культуральная жидкость вытекает из последнего ферментатора. Градиентно-непрерывный способ брожения широко применяют в производстве этанола, пива и шампанского. За время прохождения через батарею бродильных аппаратов среда постепенно изменяется, а взвешенные в ней дрожжевые клетки стареют и даже отмирают.

При непрерывном культивировании микроорганизмов необходимо так отрегулировать скорость притока питательной среды и вытекания культуральной жидкости, чтобы вымывания культуры из системы не происходило, т. е. концентрация клеток была бы постоянной.

Для осуществления непрерывного процесса брожения наиболее целесообразно использовать многоступенчатые батареи, т. е. градиентно-непрерывный метод. С помощью этого метода культивирование микроорганизма проводят до конца, включая этап отмирания, таким образом добиваясь полной переработки субстрата и максимального выхода продукта.

Непрерывный метод обеспечивает однородность и стандартность получаемого продукта. Продуктивность микроорганизма непрерывно поддерживается на максимальном уровне. Процесс идет все время с равномерной скоростью, что открывает большие возможности для автоматизации.

Для непрерывного культивирования применяют два типа аппаратов: турбидостат и хемостат. Для поддержания культуры в состоянии максимальной скорости роста используют турбидостат.

Рост в хемостате. Хемостат состоит из сосуда, в который вводят с постоянной скоростью питательный раствор. По мере поступления питательного раствора из него вытекает суспензия микроорганизмов с той же скоростью. При культивировании в условиях хемостата поддерживается постоянная концентрация одного из компонентов среды (например, углерода). Благодаря этому в условиях хемостата поддерживается постоянная скорость роста культуры. Культура микроорганизма находится в условиях динамического равновесия.

Рост в турбидостате. Работа турбидостата основана на поддержании постоянной концентрации живых клеток. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, а скорость роста бактерий приближается к максимальной.

Если же целью культивирования является получение метаболита (например, этилового спирта), выход которого в среду обитания не соответствует логарифмической фазе роста, применяется способ непрерывного выращивания в двух или нескольких последовательно соединенных аппаратах, что позволяет как бы расчленить процесс на несколько стадий.

Характерная особенность непрерывного метода культивирования — постоянство благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов при установившемся режиме, когда технологический процесс протекает при оптимальных параметрах, без изменения состава среды и свойств самих микроорганизмов.