2. Общая структура биотехнологического производства.

Разнородные производства на основе биотехнологий носят многостадийный характер и включают наряду с биотехнологическими стадиями большое число других процессов, характерных для химической технологии, в частности, разделение фаз, экстракция, стерилизация и др. В сравнении с растительными и животными клетками микробы размножаются быстрее и, следовательно, у них быстрее протекают все метаболические обменные процессы. В связи с этим процесс культивирования микроорганизмов имеет свои особенности:

- процесс обычно реализуется в условиях строгой чистоты культуры, что достигается стерилизацией всей аппаратуры, а также всех компонентов, поступающих в биореактор;

- культивирование проводится в гетерогенных многофазных системах, реологические свойства которых в ходе процесса часто меняются;

- многокомпонентность питательных сред;

- сложность биохимических процессов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов;

- автокаталитичность процесса, т.е. влияние продукта реакции (в том числе образовавшейся биомассы, синтезированных ферментов) на скорость протекания процесса;

- более высокая вариабельность биотехнологических процессов по сравнению с химико-технологическими,

- относительно низкие скорости реакций, концентрации субстратов, получаемых продуктов, которые, как правило, еще не являются готовой продукцией;

- обычно умеренная температура в пределах 20-40°С и близкие к нейтральным значения рН;

- различие условий, оптимальных для роста микроорганизмов и биосинтеза целевых продуктов метаболизма;

- культивирование микроорганизмов - сложный технологический процесс, требующий для своего осуществления довольно сложной аппаратуры, инструментального, компьютерного и других видов обеспечения.

Все процессы промышленной биотехнологии подразделяют на 2 основные группы:

1. получение биомассы;

2. получение продуктов метаболизма.

Структура биотехнологического производства включает в себя следующие основные элементы:

- Приготовление питательной среды.

- Получение действующего биологического начала.

- Ферментация (образование целевого продукта).

- Выделение и очистка целевого продукта.

- Получение товарной формы продукта.

Обобщенная технологическая схема производства представлена на рисунке.

3. Субстраты для культивирования биообъектов.

Питательная среда обеспечивает жизнедеятельность, рост и развитие биообъектов, эффективный синтез целевого продукта. Неотъемлемой частью питательной среды служит вода, все процессы жизнедеятельности протекают только в водной среде. Питательные вещества образуют в среде истинные (минеральные соли, сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты, спирты, альдегиды и др.), коллоидные растворы или растворы высокомолекулярных соединений (белки, липиды, неорганические вещества типа гидроксида железа). Отдельные компоненты питательной среды могут находиться в твердом состоянии - они могут всплывать на поверхность (частицы угля или серы), равномерно распределяться по всему объему в виде взвеси или образовывать придонный осадок. Жидкие углеводороды при внесении в воду формируют особую несмешивающуюся фазу. При твердофазном культивировании вода только увлажняет твердую поверхность субстрата. Вещества, необходимые для культивирования, могут представлять собой газы, растворимые в воде хорошо (аммиак, сероводород), умеренно (углекислый газ) или ограниченно (азот, кислород, водород, метан)

Компонентный состав зависит от пищевых потребностей биообъекта.

Субстрат	Назначение	Краткая характеристика
1. Сахара
Глюкоза	Источник углерода и энергии	Быстро ассимилируется, добавляют ко многим культурам-продуцентам сложных органических соединений
Сахароза	-«»-	Основной субстрат при биосинтезе антибиотиков, аминокислот, органических кислот
Лактоза	-«»-	Усваивается лишь некоторыми организмами, не утилизируется большинством дрожжей
Ксилоза	-«»-	Усваивается многими бактериями и дрожжами рода Candida; в стадии разработки – получение генноинженерных штаммов S.cerevisiae, утилизирующих ксилозу
Крахмал	-«»-	Усваивается после гидролиза разной глубины (до декстринов, мальтозы, глюкозы) или непосредственно при наличии у микроорганизма амилаз
Целлюлоза	-«»-	В большинстве случаев для утилизации необходим гидролиз и, как правило, освобождение от лигнина, гемицеллюлоз и восков
Ксилан	-«»-	Подлежит гидролизу до ксилозы (с примесью других сахаров) или может утилизироваться непосредственно при наличии у микроорганизма ксиланаз
2. Спирты
Этанол	-«»-	Доступный и сравнительно недорогой субстрат, как ПАВ усиливает вспенивание культуральной жидкости
Метанол	-«»-	Сходен с этанолом, также экономичен, как субстрат, но более летуч и токсичен
3. Углеводороды
С1 – С9 Алканы	-«»-	Применяют главным образом метан, ассимилируемый многими бактериями, но не дрожжами
С10 – С20 Алканы	-«»-	Наиболее подходящая для утилизации группа углеводородов; используется бактериями, дрожжами, мицелиальными грибами
4. Азотсодержащие соединения
Аммиак	Источник азота	Используют в виде водного раствора или газа
Мочевина	-«»-	Относительно дорогой и поэтому редко используемый субстрат
Субстраты неопределенного состава
Меласса	Источник углерода и энергии	Излюбленный субстрат для биотехнологических процессов, высокий уровень содержания сахаров (сахарозы, глюкозы)
Ячмень и продукты его переработки (сусло, солод, солодовый экстракт)	-«»-	Наибольшее применение находит солодовый экстракт
Гидролизаты древесины, соломы и др.	Источник углерода, энергии, минеральных солей	Состав зависит от вида сырья и условий гидролиза, среди сахаров преобладают пентозы, что благоприятствует росту кормовых дрожжей
Растительные масла и животные жиры	Источник углерода и энергии	Метаболизируется многими микроорганизмами, служат высокоэффективными источниками энергии
Дрожжевой экстракт	Источник углерода, энергии, азота, минеральных солей	Смесь аминокислот, липидов, витаминов и сахаров
Соевая мука	-«»-	Богата белками, фосфорными соединениями, жирами