Тема 2.3. Рост и культивирование микроорганизмов

При оценке продуктивности производственных культур и их пригодности для использования в заводских условиях важны два показателя - способность к быстрому накоплению биомассы и лабильность микроорганизма. Первый показатель характеризует физиологическую способность данной культуры к быстрому росту и размножению, второй - дает возможность направленно изменять те или иные признаки продуцента для усиления биосинтеза целевого продукта.

Производственная схема получения биотехнологической продукции состоит из следующих основных этапов: 1) культивирование микробов; 2) выделение, концентрирование и очистка целевого продукта (микробной массы, ферментов, антибиотиков, интерферонов, гормонов и др.); 3) приготовление, стандартизация и контроль готового целевого продукта (препарата).

Микробов культивируют на жидких, реже на плотных сбалансированных питательных средах в аппаратах (ферментерах) различной емкости (от 2 л до 400 м³) при оптимальном температурном режиме и физико-химических условиях (рН, масс-обменные характеристики), поддерживаемых автоматически. В качестве питательных сред используют дешевое, доступное, недефицитное сырье, например, рыбокостную муку, отходы сахарного производства (меласса), дрожжевой экстракт, в некоторых случаях гидролизаты казеина и другого белкового сырья.

Время выращивания большинства бактерий при определенных условиях составляет 1 - 3 сут. Из 1 т культуры за это время получается примерно 50 кг биомассы. Для повышения выхода продукции используют высокопродуктивные промышленные штаммы микробов. Из культуральной жидкости выделяют и концентрируют биомассу бактерий с помощью различных методов (сепарирование, центрифугирование, седиментация, выпаривание, ультрафильтрация, хроматография). Дальнейшей обработке подвергают или биомассу, или освобожденный от биомассы фильтрат культуральной жидкости, содержащий целевой продукт. Очистку и концентрирование целевого продукта (антибиотика, антигена, фермента и др.) осуществляют одним из известных физико-химических методов: изоэлектрическое осаждение, осаждение кислотами, спиртами, высаливание, хроматография и др. Затем очищенному и концентрированному продукту или культуре бактерий (например, при изготовлении живых и убитых вакцин) придают конечную форму в виде жидкого, сухого, таблетированного препарата, который стандартизуют и контролируют по активности, физико-химическим и медико-биологическим параметрам.

По такой же схеме получают биотехнологическую продукцию и при культивировании животных и растительных клеток. Растительные клетки используют для получения фармацевтических веществ (женьшень, мочегонные, сердечно-сосудистые и другие препараты), а животные клетки - для выращивания вирусов с целью получения вакцин, антигенов, гормонов, эндогенных иммуномодуляторов и других биологически активных веществ. Однако культивирование животных и растительных клеток значительно сложнее и дороже, чем культивирование бактерий, так как выращивание этих клеток в отличие от бактерий требует сложных по составу питательных сред, специальной аппаратуры и условий культивирования. Поэтому в биотехнологии интенсивно разрабатываются и уже используются рекомбинантные штаммы бактерий, способные синтезировать продукт растительной и животной природы.

Микроорганизмы, применяемые в микробиологической промышленности, принадлежат разным таксономическим группам (бактерии, дрожжи, плесневые грибы - аскомицеты, фикомицеты, актиномицеты и др.) и существенно отличаются друг от друга по морфологии, размерам клеток, отношению к кислороду, по потребностям в ростовых факторах, по способности ассимилировать разные компоненты субстрата и т. д.

Из более, чем 100 000 известных видов микроорганизмов в промышленности используют относительно мало - около 100 видов, к которым принадлежат несколько тысяч штаммов. По определению Л. И. Воробьевой (1987), промышленный штамм должен соответствовать следующим требованиям:

• расти на дешевых и доступных субстратах;

• обладать высокой скоростью роста биомассы (m) и иметь высокую продуктивность целевого продукта (D, Р) при экономичном потреблении питательного субстрата (Y x/s, Y p/s);

• проявлять направленную биосинтетическую активность при минимальном образовании побочных продуктов;

• быть генетически однородным, стабильным по продуктивности, требованиям к питательному субстрату и условиям культивирования;

• быть устойчивым к фагам и другой посторонней микрофлоре;

• быть безвредным (не обладать патогенными свойствами) для людей и окружающей среды;

• желательно, чтобы продуценты были термофильными и ацидофильными (или алкалофильными), так как в этом случае легче предохранить ферментируемый субстрат от инвазии посторонней микрофлорой;

• целевой продукт биосинтеза должен иметь экономическую и народнохозяйственную ценность и должен легко выделяться из субстрата.

Большой интерес для производства представляют анаэробные микроорганизмы, поскольку при их культивировании не требуются энергоемкие аэрирующие устройства.

В промышленности применяют три вида штаммов:

1) природные штаммы, улучшенные естественным или искусственным отбором;

2) штаммы, измененные в результате индуцированных мутаций;

3) штаммы культур, полученные методами генной или клеточной инженерии.