Методологические принципы биотехнологии. Монография

такой основополагающей, как ферментация, не может рассматриваться изолированно от всей технологической цепи.

В заключение отметим, что уже в 1980-е гг. вопросы системного рассмотрения биотехнологических и химико-технологических систем были обстоятельно рассмотрены академиком В. В. Кафаровым [46, 47]. Сложность биотехнологических систем обусловливает безграничность проблем масштабирования, поэтому можно сказать, что в инженерных решениях по аппаратному оформлению и масштабированию и сейчас остается место для практического искусства.

2 . 1 2 . П р и н ц и п ы в ы б о р а б и о р е а к т о р а

Выбор основного аппарата биотехнологического процесса – биореактора – главная биотехнологическая задача при переходе от результатов лабораторных исследований к их промышленной реализации. Традиционные исторические наименования биореактора – ферментер, или ферментатор. Вот определение полувековой давности: «Ферментер, аппарат для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры» [26].

Для сравнения приведем одно из современных определений – из Википедии: «Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нем клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путем равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию».

По мнению автора термин «биореактор» с семантической точки зрения корректнее – биотехнологический процесс всегда является комплексным и не сводится к одной только ферментации (от лат. fermentare – вызывать брожение).

С точки зрения системного подхода выбор биореактора должен решаться совместно с выбором другого технологического оборудования, относящегося к стадии подготовки питательной среды, посевного

61

материала, выделению, концентрированию, кондиционированию, сушке целевого продукта.

Рассмотрим методологические подходы при выборе биореактора (ферментера).

Первое, что нужно учесть – это связь исполнения аппарата с выбранным наиболее эффективным и оптимальным технологическим режимом процесса биологически активных превращений.

Следующий принципиальный вопрос – это выбор способа культивирования: поверхностного или объемного. Исторически способ поверхностного культивирования предшествует глубинному. Первоначально культуры микроорганизмов, как правило, исследуют на поверхностях агаризованных питательных сред, а лишь затем в биореакторах способом глубинного культивирования. Именно в силу названного обстоятельства до настоящего времени некоторые продукты биосинтеза микроорганизмов получают методами поверхностного культивирования. Причина этого кроется в возможности прямого перенесения лабораторной технологии в промышленные условия без решения задач масштабирования.

Исторически промышленное использование метода поверхностного культивирования было просто следствием несовершенства технологии и невозможности аппаратурного оформления процесса. Исключением считается выращивание высших грибов, например шампиньонов, для которых приемлем (если только речь идет не о выращивании их клеточной биомассы) именно поверхностный способ.

Более эффективным во многих отношениях является метод глубинного культивирования – значительно большие удельные массообменные характеристики и возможности контроля за физико-химиче- ским состоянием среды. Эта оценка справедлива практически для всех продуцентов и целевых продуктов: клеточной биомассы, первичных и вторичных метаболитов, процессов трансформации химических органических и неорганических соединений.

Следующая проблема – критерий выбор типа реактора (периодического или непрерывного действия).

Для случаев, когда целевой продукт является первичным метаболитом (то есть продукт интенсивно синтезируется в период экспоненциального роста), наиболее эффективен по комплексу технико-эконо- мических показателей режим непрерывного культивирования.

Иная ситуация, когда целевой продукт – вторичный метаболит. Вторичные метаболиты – вещества, не являющиеся необходимыми для

62

обеспечения жизнедеятельности живой клетки, поэтому они продуцируются в заметных количествах при лимитации их роста. Например, такие вторичные метаболиты, как антибиотики, продуцируются микроорганизмами как средство борьбы с другими микроорганизмами, ограничивающими жизненное пространство и ресурсы соответствующей культуры. При их производстве предпочтителен режим периодического культивирования, позволяющий осуществлять этот процесс в стационарной фазе.

Возможны и другие пути увеличения времени режима стационарной фазы – использование реакторов идеального вытеснения или многостадийной технологии с несколькими последовательно работающими реакторами.

К выбору режима в связи с оценкой фазы биосинтеза целевого продукта следует подходить гибко. Исследователи писали о таких случаях, когда «интересующий продукт второй фазы начинает синтезироваться еще в фазу роста, так что подразделение процессов на одно-

идвухфазные не носит абсолютного характера» [105]. Подобные явления характерны, в частности, для промышленной реализации биосинтеза лизина. Лизин – необходимый компонент конструктивного синтеза

ив этом смысле является первичным метаболитом (синтез в экспоненциальную фазу роста). Однако для специально выведенных микроорганизмов, обладающих способностью к сверхсинтезу лизина, его можно считать вторичным метаболитом. Реализация биосинтеза вторичных метаболитов достаточна эффективна не только периодическими, но

инепрерывными способами культивирования. Это происходит в случае, если в первом аппарате проводить быстрое накопление биомассы продуцента, а во втором (теми или иными способами переводя его в стационарную фазу) – осуществлять биосинтез целевого продукта.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда целевым продуктом являются первичный метаболит или клеточная масса в целом. Здесь очевидны преимущества непрерывных способов культивирования, работающих устойчиво как раз в первой (экспоненцианальной) фазе роста – наиболее распространенном режиме хемостата. Многие реальные промышленные производства первичных метаболитов в периодических режимах свидетельствуют не об оптимальности периодических режимов, а о несовершенстве соответствующей технологии и аппаратурного оформления непрерывных процессов.

63

Выбор между периодическим и непрерывным способом культивирования может обосновываться не только факторами, определяемыми фазой биосинтеза целевого продукта или фазой трансформации продукта – объекта биологически активной переработки. Таким фактором может быть проблема стерильности: «Промышленные ферменты почти всегда производятся методами периодического культивирования. Генетическая нестабильность штаммов-продуцентов, проблемы стерильности и трудность получения продукта стационарной фазы из клеток экспоненциальной фазы серьезно ограничивают применение метода непрерывного культивирования» [104].

Кинетические подходы к описанию роста культуры, биохимической кинетики превращений субстратов, основные уравнения аппаратов периодического действия подробно освещены в литературе по биотехнологии или технологии отдельных препаратов. Сделаем акцент на режимах и аппаратах, реализующих непрерывный проточный процесс культивирования для первой экспоненциальной фазы.

В хемостатном режиме, то есть режиме стационарной работы реактора непрерывного действия идеального смешения с заданной скоростью разбавления, мы будем иметь для различных скоростей подачи лимитирующего субстрата разные количества стационарной биомассы, рост которой также не может быть беспределен хотя бы за счет кооперативного (контактного) ингибирования процесса. Предположим, что мы сделали научно обоснованный выбор с точки зрения участия в технологическом процессе живых организмов и учли особенности такого процесса. В этом случае мы должны пойти еще дальше и решить задачу выбора между различными реакторами непрерывного действия. Наиболее распространен в практике научных исследований и промышленном производстве хемостат. Другие из названных реакторов менее изучены.

Большое значение при выборе могут иметь принципы популяционного подхода. Так, в хемостатном режиме при инфицировании будет иметь преимущество и вытеснит исходную культуру популяция, более полно утилизирующая субстрат при прочих равных условиях. Турбидостат как система с обратной связью удобен для поддержания процессов ферментации на грани режима, обеспечивающего максимальную удельную скорость роста. Чисто хемостатный режим в этой переходной области будет ненадежен, не исключено вымывание культуры. Очевидно, выбор из многих вариантов «статов» и их комбинаций будет определяться параметрами, которые наиболее важны для обеспечения

64

биотехнологического процесса. Можно сослаться на один из примеров реализации методологии аппаратурно-технологических решений, учитывающей системный характер биотехнологических проблем, приведенный в [86].

Существует много режимов осуществления биотехнологических процессов, отсюда – большое число подходящих для их реализации биореакторов. каждый из этих режимов имеет свою специфику: 1) глубинное, поверхностное, периодическое, полупериодическое и непрерывное культивирование; 2) наличие обратных связей; 3) динамические

истатистические показатели физико-химического состояния среды; 4) способы подвода энергии (перемешивание и аэрирование); 5) конструктивное решение аппарата типа колонны, емкостного или пленочного типа.

Если при этом учесть бесконечное число вариантов решений по системам ввода среды и ее отвода, устройствам аэрации, перемешивания, теплообмена, то мы получим сложнейшую систему исходных данных, для которой выбор идеального реактора очень труден. При этом возможно приближение к оптимальному решению на основании принципов системного подхода: с учетом физиологии и кинетических характеристик продуцента; теории биохимических реакторов; математического моделирования; технико-экономического проектирования и других факторов. Не случайно в связи с этими проблемами в недавнем прошлом были в ходу методы эмпирического выбора биореакторов и прямого сопоставления их преимуществ. Например, в [18] приведены результаты промышленных сравнительных испытаний девяти конструкций ферментеров для выбора наиболее эффективного.

Вкругу обсуждаемых проблем интересно сравнение природных

иискусственных систем: «В природе существуют два аналога ферментатора – природные водоемы и орган животного организма – легкие. По существу протекающих процессов ферментатор относится к биологическим системам. Конструктивно же аппарат для культивирования обычно оформлен как химический реактор, разработанный для иных процессов. Несоответствие между процессом и конструкцией является одной из причин низкой энергетической эффективности ферментатора, слабого использования кислорода воздуха, неустойчивости процесса

истимулирует поиск более адекватных конструкций» [127].

Таким образом, в ходе создания промышленных биореакторов мы имеем возможность выбора между двумя путями: 1) создание биореакторов в связи с конкретными практическими задачами эмпирическими

65

способами; 2) разработка теоретической и экспериментальной научной базы по созданию биореакторов, обеспечивающих эффективную реализацию процесса. Второй путь часто запаздывает, поэтому в промышленности используется неоптимизированное оборудование.

Всилу особенностей биотехнологических процессов для каждого конкретного случая должен разрабатываться и создаваться свой «идеальный» биореактор (или их система), что, разумеется, на практике невозможно осуществить. Выпуск ad hoc аппаратов, т. е. аппаратов для каждой конкретной технологии, ввиду разнообразия технологий ни одна промышленность обеспечить не может. Выходом из положения может быть только разработка и выпуск унифицированных биореакторов с возможностью их адаптации к конкретным технологическим решениям.

Взаключение целесообразно сопоставить классификацию процессов культивирования микроорганизмов, приведенную в [105], и классификацию биохимических реакторов [117]. Первая из классификаций основана на особенностях режимов и способов культивирования с учетом того, что в процессе участвуют живые организмы. Вторая классификация базируется на конструктивных особенностях технологического оборудования.

2 . 1 3 . Д в о й с т в е н н о е з н а ч е н и е б и о т е х н о л о г и и к а к ф а к т о р а у с у г у б л е н и я и р е ш е н и я

э к о л о г и ч е с к о й п р о б л е м ы

Значение биотехнологии для динамики экологической проблемы двоякое.

Содной стороны, функционирование биотехнологического процесса требует определенного набора веществ, аппаратов и транспорта,

авсе эти составляющие при их производстве и функционировании наносят вред окружающей среде. Также с термодинамической точки зрения выделение и рассеяние тепловой энергии, сопровождающееся возрастанием энтропии в окружающей среде, имеет место при совершении любой работы, в частности при функционировании биотехнологических производств.

Сдругой стороны, биотехнология может решать проблемы получения ценных компонентов для природоохранительной деятельности – от

66

средств для анализа и мониторинга до средств обеспечения функционирования малоотходных технологий. Она может реализовываться в технологиях утилизации и/или вторичного применения промышленных отходов, а также во многих эффективных системах очистных сооружений. При работе последних наблюдается реальный синтез биофизико-хими- ческих и инженерно-технологических знаний. Литература, представляющая это направление, чрезвычайно обширна, поэтому ограничимся ссылкой на работу сотрудников нашего университета [114].

Разделив иерархические уровни, которые входят в предметную область экологии (атомный, молекулярный, межмолекулярный, организменный, популяционный и социальный), можно сформулировать однозначную методологическую установку для решения глобальных экологических проблем: необходимость включения в критерии оптимизации экосистем факторов социокультурного свойства. Начнем с простого, но далеко не тривиального вопроса: откуда и в результате чего берутся опасные для человека и всего живого загрязнения? Если рассматривать Землю как замкнутую систему, то можно сказать, что вредные в биологическом смысле вещества образуются в самой окружающей природе.

С точки зрения термодинамики фактором поддержания существования цивилизации является потребление энергии, запасенной в естественных продуктах, – как правило в продуктах фотосинтеза и радиоактивных рудах. Полученная в результате этого энергия в той или иной последовательности искусственных превращений используется для получения избыточного (с точки зрения балансных природных процессов, установившихся в результате длительной эволюции живой и неживой природы на Земле) количества химически и биологически активных продуктов. Эти продукты идут не только на нужды развития общества, но и, включаясь в общий обмен веществ, взаимодействуют с живыми организмами как упорядоченными системами. Такое взаимодействие приводит к возрастанию энтропии в живых системах сверх естественных норм, то есть к ускорению их дезорганизации как биологических систем, а в конечном итоге – к смерти.

Разрушение естественной окружающей среды происходит даже на самом первом необходимом этапе энергообеспечения цивилизации. Дело в том, что когда мы сжигаем топливо, то только часть тепловой энергии ( Н) может быть использована в виде энергии Гиббса (ΔG) – свободной энергии при постоянном давлении. Остальная часть полученной энергии расходуется на увеличение энтропии, т. е. возрастание беспорядка и дезорганизации в окружающей среде.

67

В биотехнологических процессах, основой которых является культивирование микроорганизмов – продуцентов соответствующего биологически активного продукта (процесс ферментации), также происходит получение энергии для нужд биосинтеза через окисление (сжигание) питательного субстрата: жидких углеводородов нефти (например, парафинов), органических газов (например, метана), сахаров и т. п.

Можно выделить пять эффективных путей решения экологических проблем:

1.Повышение эффективности технологии производства целе-

вого продукта и его качества. Переход названных отраслей на использование возобновляемых ресурсов для конструктивных (получение полезных продуктов) и энергетических (получение необходимой энергии для реализации соответствующей технологии) целей, так как для обеспечения современных масштабов производства достаточными являются растительные продукты, накапливающиеся на Земле в результате притока солнечной энергии в процессах биосинтеза. В настоящее время уже реализовываются процессы органического синтеза через разнообразные ферментативные и химические превращения сырья возобновляемых ресурсов в исходные продукты органического синтеза (метан, органические спирты и кислоты).

2.Создание эффективных систем очистки и нейтрализации про-

мышленных отходов. Взаимодействие химии и биотехнологии в решении непосредственных технологических задач получения полезных продуктов. Показательна тенденция использования биологически активных соединений ферментов, ферментных систем или целых клеток для решения задач традиционного химического синтеза. Такой подход позволяет реализовывать менее энергоемкие и ресурсосберегающие технологии. Здесь химические методы (например, методы стабилизации ферментативной активности при физико-химических денатурированных воздействиях) дают возможность обеспечивать повышенную производительность биотехнологических предприятий в расчете на удельную активность готового продукта, что в целом эквивалентно уменьшению экологически вредного воздействия на единицу заданной удельной активности целевого продукта.

3.Переработка промышленных отходов в неактивные или полез-

ные продукты. В настоящее время используется множество химических и биохимических методов как нейтрализации, так и переработки отходов в полезные продукты (например, топливный газ, удобрения, биомассу) и аппаратурно-технологических решений по их реализации на конкретных очистных сооружениях.

68

ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е

Вданной работе автором был рассмотрен исторический процесс становления биотехнологии как науки – от протобиотехнологии к современной промышленной биотехнологии с активным включением методов генной инженерии. Был проведен анализ проблем биотехнологии как междисциплинарной области знания и особенностей ее функционирования на этапах движения от базовых фундаментальных научных знаний к научно-технологическим и инженерно-аппаратурным решениям. Из приведенного материала видно, какие проблемы имеются

вобласти развития фундаментального и научно-технического знания и каким образом технические решения на конечном этапе промышленного освоения корректируются окружающей действительностью в широком смысле слова: с одной стороны, жизнью основных агентов биотехнологического процесса, с другой – современной ситуацией развития науки, техники и производства.

Проектирование биотехнологических производств требует учета комплекса научно-технических и социально-экономических факторов, включая выступающие сейчас на первый план экологические проблемы. Все эти факторы можно рассматривать как элементы эволюционирующей системы биотехнологических исследований и производств. Естественно, полезно было бы дополнить их факторами социально-ор- ганизационного уровня, без которых (так же, как и без научно-техниче- ской или материально-экономической базы) невозможно реальное функционирование биотехнологических производств. Здесь выделяются следующие проблемы: организация и планирование научных исследований и технических разработок; оценка современного состояния и тенденций развития биотехнологии в России и за рубежом; совершенствование биотехнологического образования и переподготовки кадров; эффективная реализация продукции в связи с вопросами конъюнктуры и рекламы; создание перспективных форм кооперации науки, техники, экономики и социальной политики, адекватных современным многомерным процессам взаимодействия наук и технологий.

Кроме того, в сфере актуальных проблем биотехнологии можно выделить следующие ключевые направления:

– исследования и решения по модификации биологически активных агентов в первую очередь методами генной и клеточной инженерии;

70