5. Процесс ферментации. Способы ферментации

Каждый биотехнологический продукт получают по своей технологии, имеющей свои отличительные особенности, детали, свои способы организации производства. Однако во всех производствах, использующих биологические объекты, есть главная, продуктивная стадия – стадия ферментации.

Под ферментацией понимают любой процесс выращивания (культивирования) микроорганизмов в определенных условиях, в результате которого образуется целевой продукт.

Ферментация бывает аэробная и анаэробная.

Различают следующие виды аэробной ферментации: поверхностная и глубинная.

Технология выращивания микроорганизмов поверхностным способом довольно проста. Она заключается в том, что микроорганизмы культивируют на поверхности плотных, сыпучих или жидких питательных сред. Это периодический процесс.

Выращивание микроорганизмов глубинным способом происходит во всем объеме жидкой питательной среды в промышленных условиях в аппарате, который называется ферментатором (или биореактором), а в лабораторных условиях – в колбах на специальных качалках. Выращивание микроорганизмов глубинным способом может быть периодическим и непрерывным.

При периодическом способе глубинного культивирования в ферментатор (или ферментер) загружают сразу весь объем стерильной питательной среды и вносят посевной материал. Выращивание микроорганизмов проводят при оптимальных условиях в течение определенного времени, после чего процесс останавливают, сливают содержимое ферментатора и выделяют целевой продукт.

При непрерывном способе глубинного культивирования стерильная питательная среда непрерывно подается в ферментатор, в котором создаются оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из ферментатора также непрерывно вытекает культуральная жидкость, содержащая остатки питательной среды и клетки микроорганизмов.

Жидкость, которая образуется в процессе ферментации микроорганизмов и содержит целевой продукт, называется культуралъной жидкостью.

Основная задача стадии ферментации – обеспечить максимально высокий синтез целевого продукта, что достигается соблюдением ряда условий.

Для успешного проведения процесса ферментации и достижения высокого уровня накопления продукта необходимо соблюдать определенные условия проведения процесса:

приготовить качественную стерильную питательную среду;

получить активный посевной материал;

проводить процесс выращивания микроорганизмов в биореакторах специальной конструкции;

не допускать загрязнения культуры-продуцента посторонними микроорганизмами, иными словами, обеспечить «стерильность» процесса ферментации;

поддерживать необходимую температуру;

соблюдать оптимальное значение рН среды и культуральной жидкости в процессе ферментации;

обеспечивать культуру достаточным количеством кислорода;

не допускать интенсивного вспенивания за счет использования этанола и поверхностно-активных веществ в качестве пеногасителей.

Культуры штаммов хранят на косом агаре при температуре 1–5ºС; замороженными при минус 20ºС или лиофилизированными в ампулах. Культуры клеток животных и человека хранят замороженными в специальной среде при минус 180ºС.

Перед началом технологического процесса культуру берут из банка клеток и размножают в стерильных условиях в течение 24 ч на плотных  или жидких средах. Вначале выращивают исходную культуру, затем пересевают ее в колбу, переносят в ферментер для посевного материала, а потом в промышленный ферментер. При этом контролируют жизнеспособность штаммов и их загрязненность другими       микроорганизмами.

Процесс ферментации может быть условно разделен на четыре фазы (рисунок 5).

В начале ферментации микроорганизмы некоторое время как бы приспосабливаются к новой среде. Эта фаза называется лаг-фазой и характеризуется низкой скоростью роста биомассы, низким потреблением питательных веществ.

Вторая фаза – фаза экспоненциального роста, или log-фаза, характеризуется интенсивным ростом культуры и быстрым потреблением всех питательных веществ среды с преимущественным использованием их в конструктивном обмене, т.е. в качестве пластического материала. При этом концентрация исходных веществ в среде резко снижается, некоторые вещества (например, минеральный фосфор) исчезают полностью, и в среде могут накапливаться продукты окислительного обмена, в частности, кислоты. В этот период происходит активная наработка первичных       метаболитов.

В третьей фазе (стационарная фаза) в результате изменения состава среды и накопления биомассы меняется характер развития культуры. Рост культуры замедляется, затем прекращается. Начинается гибель клеток (автолиз). Потребление питательных веществ также замедляется. К концу ферментации углеводы, жиры и азотистые вещества используются почти полностью. Эта фаза характеризуется максимальным накоплением  вторичных метаболитов, причем для каждого продукта существуют свои специфические условия, наличие которых в этот период способствует интенсивному образованию продукта, а отсутствие – снижению или даже полному прекращению биосинтеза. Когда процессы автолиза начинают преобладать над ростом культуры, наступает фаза отмирания. Снижается концентрация жизнеспособных клеток, увеличивается выброс продуктов автолиза.