15. Выделение, очистка, концентрирование и упаковка целевого продукта.

Выделение целевого продукта зависит от того находится ли продукт в самой клетке или выделен в культуральную жидкость или же сама клетка является продуктом. Наиболее сложным является выделение продукта накапливающегося внутри клетки. Для этого клетки отделяют от культуральной жидкости, затем клетки дезинтегрируют, а целевой продукт отделяют от массы разрушенных клеток. Поскольку выделение продукта из культуральной жидкости технологически проще, биотехнологи стремятся с помощью генной инженерии к созданию промышленных штаммов микроорганизмов, выделяющих возможно большее количество ценных продуктов. Технология выделения и очистки целевого продукта в значительной степени зависит от природы целевого продукта. После предварительной операции разрушения клеток выделение целевого продукта осуществляется методами, которые являются для внеклеточных и внутриклеточных продуктов.

Экстракция – из водной фазы в органическую фазу.

Экстрагирование – экстракция из твердой фазы.

Осаждение – выделение целевого продукта путем добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворимым продуктом и переводящего его в твердую фазу.

Адсорбция – перевод растворенного в жидкости продукта в твердую фазу путем его сорбции на специальные твердые носители сорбента.

Ионный обмен – тоже самое что и адсорбция, только в том случае если в твердую фазу переходят ионы, а не целиком молекулы.

Отгонка (ректификация) – используется для выделения растворенных в культуральной жидкости легко кипящих продуктов.

Ультрафильтрация. Нанофильтрация. Обратный осмос. Центрифугирование. Ультрацентрифугирование.

На стадии выделения продукта главная задача отделить основную часть продукта, пусть даже и с примесями. Получается неочищенный продукт. Поэтому когда необходимо получить продукты высокой кондиции добавляют еще стадию очистки продукта. Задача – убрать примеси, т.е. сделать продукт максимально чистым. Задача решается с помощью вышеперечисленных способов.

Концентрирование продукта – необходимая стадия биотехнологического процесса. На выходе из биотехнологической стадии суспензия обычно содержит целевого продукта 0,1-1%. После стадии отделения биомассы до 2%. После стадии выделения до 10%. После очистки 50-80% и после концентрирования 90-100%. На завершающей стадии производства продукт приобретает товарную форму за счет процессов гранулирования, дрожжевания, таблетирования, розлива или фасовки, ампулировавния и тд.

16 Классификация продуктов.Спектр продуктов, образующихся методами биотехнологии, необычайно широк и разнообразен. Целевыми продуктами биотехнологических производств могут быть интактные клетки. Одноклеточные организмы используют для получения биомассы, являюшейся источником кормового белка. Клетки, особенно в иммобилизованном состоянии, выступают в роли биологических катализаторов для процессов биотрансформации.  Процессами биотрансформации называют реакции преврашения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помошью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. В последние годы высокая специфичность процессов биотрансформации и эффективность иммобилизованных ферментов нашли широкое применение для крупномасштабного производства амтюкислот, антибиотиков, стероидов и других промышленно важных продуктов.  По отношению к процессу роста низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток делятся на первичные и вторичные метаболиты (рис. 1). 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.  Центральное звено биотехнологического процесса — живая клетка, в которой одномоментно синтезируется великое множество разнообразных соединений. В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечивается сложнейшей системой регуляции обмена веществ. Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посредством нарушения регуляторных систем метаболизма в нем. 

Рис.1

17. Субстраты и среды, используемые в биотехнологии, весьма разнообразны, и их спектр непрерывно расширяется. С развитием промышленных процессов происходит накопление новых видов отходов, которые могут быть обезврежены и конвертированы в полезные продукты методами биотехнологии. С одной стороны, развивающиеся бурными темпами биотехнологические промышленные направления сталкиваются с проблемой исчерпания традиционных видов сырья, поэтому возникает необходимость в расширении сырьевой базы, с другой, – увеличение объемов накапливающихся отходов делает необходимым разработку нетрадиционных, в том числе биотехнологических способов их переработки. В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к природным возобновляемым ресурсам .В состав сред для биотехнологических процессов входят источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые факторы. В качестве источников углерода и энергии в биотехнологических процессах используют главным образом природные комплексные среды неопределенного состава, в которых помимо углеродных соединений содержатся также минеральные элементы и ростовые факторы. Довольно широко включены в разряд биотехнологических субстратов целлюлоза, гидролизаты полисахаридов и древесины. Последние около 30 лет используют для получения белка одноклеточных. С большим успехом в последние годы стали применять гидролизаты торфа, это позволяет снизить стоимость, например, препаратов аминокислот в 4–5 раз. Минеральные элементы, необходимые для роста биологических агентов и входящие в состав питательных сред, подразделяются на макро- и микроэлементы. Среди макроэлементов на первом месте стоит азот, так как потребности в нем у биологических объектов на порядок превышают потребности в других ,элементах (фосфоре, сере, калии и магнии). Азот обычно используется микроорганизмами в восстановленной форме (мочевина, аммоний или их соли). Часто азот вводится в комплексе с другими макроэлементами – фосфором, серой. Для этого в качестве их источников используют соли (сульфаты или фосфаты аммония). Существенное значение при обеспечении азотного питания продуцента имеет не только вид, но концентрация азота в среде, так как изменение соотношения C:N, воздействуя на скорость роста продуцента, метаболизм, вызывает сверхсинтез ряда целевых продуктов (аминокислот, полисахаридов и др.). Минеральные элементы необходимы для роста любого биологического агента, но их концентрация в среде в зависимости от биологии используемого биообъекта и задач биотехнологического процесса различна.микроэлементы часто специально не вносят в среде, так как их примеси в основных солях и воде обеспечивают потребности продуцентов. Отдельные продуценты в силу специфики метаболизма или питательных потребностей нуждаются для роста в наличие в среде ростовых факторов (отдельных аминокислот, витаминов и пр.). Помимо чистых индивидуальных веществ такой природы, на практике часто используют в качестве ростовых добавок кукурузный или дрожжевой экстракт, картофельный сок, экстракт проростков ячменя, зерновых отходов и отходов молочной промышленности. Стимулирующее действие данных ростовых факторов во многом зависит от индивидуальных свойств применяемого продуцента, состава основной среды, условий ферментации и др. Добавление ростовых факторов способно увеличить выход целевого продукта, например ферментов, в десятки раз . Микроорганизм может использовать для жизни любое органическое соединение, поэтому весь мировой запас органики (растения, почва, химикаты) потенциально является пищей для микроорганизмов. Однако для того, чтобы продуцент производил нужный продукт, ему необходимо индивидуальное питательное соединение (питательная среда). Питательная среда является сложной трёхфазной системой и как бы продолжением микробной клетки. Кроме индивидуальных органических соединений, в промышленности используют различные отходы. (кукурузного крахмал Всё сырьё можно разделить на несколько групп. - Углеродсодержащее сырьё – глюкоза, сахароза, лактоза, крахмал, спирты, органические кислоты и т. д. Глюкоза - В сухом