Стадії біотехнологічного виробництва

Велика розмаїтість біотехнологічних процесів, які знайшли промислове застосування, призводить до необхідності розглянути загальні, найбільш важливі проблеми, що виникають при створенні будь-якого біотехнологічного виробництва. Процеси промислової біотехнології розділяють на 2 великі групи: виробництво біомаси й одержання продуктів метаболізму. Однак така класифікація не відбиває найбільш істотних з технологічної точки зору аспектів промислових біотехнологічних процесів. У цьому плані необхідно розглядати стадії біотехнологічного виробництва, їх подібності і відмінності залежно від кінцевої мети біотехнологічного процесу. У загальному вигляді система біотехнологічного виробництва продуктів мікробного синтезу представлена на рис. 1.

Рис. 1. Система біотехнологічного виробництва

Існує 5 стадій біотехнологічного виробництва.

Дві початкові стадії включають підготовку сировини й біологічно діючого початку. У процесах інженерної ензимології вони, як правило, складаються з готування розчину субстрату із заданими властивостями (рН, температура, концентрація) і підготовки партії ферментного препарату даного типу (ферментного або іммобілізованого). При здійсненні мікробіологічного синтезу необхідні стадії готування поживного середовища й з підтримки чистої культури, яка могла б постійно або в міру необхідності використовуватися в процесі. Підтримка чистої культури штаму-продуцента – головне завдання будь-якого мікробіологічного виробництва, оскільки високоактивний штам, який не піддається небажаним змінам може бути гарантією одержання цільового продукту із заданими властивостями.

Третя стадія – стадія ферментації, на якій відбувається утворення цільового продукту. На цій стадії йде мікробіологічне перетворення компонентів поживного початку середовища в біомасу, потім, якщо це необхідно, у цільовий метаболіт.

На четвертому етапі з культуральної рідини виділяють й очищають цільові продукти. Для промислових мікробіологічних процесів характерно, як правило, утворення дуже розведених розчинів і суспензій, які містять, окрім цільової, велику кількість інших речовин. При цьому доводиться розділяти суміші речовин дуже близькі за своєю природою.

Заключна стадія біотехнологічного виробництва – виготовлення товарних форм продуктів. Загальною властивістю більшості продуктів мікробіологічного синтезу є їх недостатня стійкість до зберігання, оскільки вони схильні до розкладання й у такому вигляді представляють прекрасне середовище для розвитку сторонньої мікрофлори. Це змушує технологів вживати спеціальних заходів для підвищення схоронності препаратів промислової біотехнології. Крім того, препарати для медичних цілей вимагають спеціальних рішень на стадії розфасовки й упаковки, вони повинні бути стерильними.

Технологія виготовлення поживного середовища для біосинтезу

Основу поживного середовища для культивування мікроорганізмів становлять джерела вуглецю. Окрім вуглецю клітини мікроорганізмів у процесі росту відчувають потребу в азоті, фосфорі, макро- і мікроелементах. Всі ці речовини знаходяться у поживному середовищі у вигляді солей, виключення становлять середовища, де азот і фосфор можуть засвоюватися ростучими культурами з органічних джерел, наприклад автолізатів або гідролізатів мікробного або тваринного походження.

Відділення для виготовлення поживного середовища представляє собою цех, обладнаний ємностями для зберігання рідких і твердих речовин, засобами їхнього транспортування й апаратами із перемішуючими пристроями, для готування розчинів, суспензій або емульсій. При цьому необхідні солі зберігаються у твердому вигляді, а готування їхньої суміші із заданим співвідношенням компонентів здійснюється в апараті з мішалкою, куди подаються тверді компоненти в необхідній кількості й далі відбувається їхнє розчинення. Іноді з'єднуються й перемішуються заздалегідь виготовлені розчини. Рідкі й тверді джерела вуглецю вводять у вже готове поживне середовище безпосередньо перед ферментацією, тому що це усуває небезпеку зараження сторонньою мікрофлорою, імовірність якого зростає при зберіганні готової поживної суміші.

При безперервному культивуванні при виробництві мікробного білка вуглеводні й розчини солей уводять у ферментер роздільно по індивідуальних лініях, а змішування й емульгування нерозчинних у воді n-алканів відбувається вже в самому біореакторі. При культивуванні бактерій на метані останній постійно подають до апарату через спеціальні пристрої.

При періодичній ферментації на початку процесу інокулят (засівна доза мікроорганізмів) вноситься у вже готове поживне середовище, яке вже містить всі необхідні компоненти. Тому джерела вуглецю вводять безпосередньо перед засіванням або окремі компоненти середовища вводять у міру споживання їх культурою, підтримуючи у ферментері оптимальну їхню концентрацію, яка на різних етапах ферментації може змінюватися.

Найважливішим елементом готування поживного середовища є дотримання вимог асептики. Це або створення заданого значення рН, яке забезпечує придушення сторонніх мікроорганізмів, або повна стерилізація всіх компонентів суміші і самого біореактора.

Для стерилізації газових потоків (у першу чергу повітря) використовують процес фільтрації через спеціальні волокнисті фільтри з послідовно розташованими фільтруючими елементами. Фільтруючий матеріал періодично стерилізується подачею гарячої пари у відключений фільтр через задані проміжки часу. Рідинні потоки стерилізують різними методами, з яких практичний інтерес представляють термічний, радіаційний, фільтраційний та інколи хімічний.

Термічний – найпоширеніший, при температурах порядку 120 – 150С.

Радіаційний – γ-випромінювання, застосовується рідко через труднощі створення й експлуатації потужних джерел цього випромінювання.

В окремих випадках застосовують хімічні стерилізуючі агенти (речовини з яскраво вираженою асептичною дією). Основна проблема в цьому випадку – необхідність усунення стерилізуючого агента з поживного після середовища загибелі мікрофлори до внесення інокуляту. Хімічні антисептики повинні бути не тільки високоефективні, але й легко піддаватися розкладанню при зміні умов після завершення стерилізації. До числа найкращих відноситься пропіолактон, який володіє сильною бактерицидною дією й легко гідролізується у молочну кислоту.

Мало розповсюджений і метод фільтрації, що викликано апаратними труднощами. Метод заснований на здатності напівпроникних мембран з великими порами пропускати рідку фазу й концентрувати клітини мікроорганізмів. У принципі цей метод є ідеальним для стерилізації термічно нестійких рідких і газових засобів, оскільки може здійснюватися при низькій температурі й вимагає лише градієнта тиску по різні сторони мембрани. Основні труднощі – наявність термостійких мембран, здатних витримувати багаторазову стерилізацію їх самих. У цей час ця проблема вирішується шляхом застосування термостійких полімерів у виробництві мембран.

На закінчення слід відмітити, що ряд субстратів не вимагає стерилізації, тому що вони самі мають асептичну дію; сюди відносять метанол, етанол, концентровану оцтову кислоту й ін. У цьому випадку обмежуються стерилізацією інших елементів поживного середовища.