Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Медицина arrow Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств

ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ

Для осуществления любого биотехнологического процесса необходимы культура микроорганизмов, питательная среда, аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций, средства контроля и управления. Чтобы объединить их в биотехнологическую систему, способную эффективно функционировать, нужна технология процесса биосинтеза. В зависимости от целей культивирования, применяемого сырья, продуцента возможны различные варианты реализации процессов биосинтеза. Рассмотрим общие характеристики процессов биосинтеза микроорганизмов и особенности, характерные для различных способов культивирования.

Классификация процессов биосинтеза

Применяемые в настоящее время микробиологические процессы различаются по типу применяемых аппаратов, способам подачи питательных веществ и отбора получаемых продуктов, физическому состоянию веществ в ферментёре и т.п. Можно выделить три основных класса процессов — периодические, полупериодические и непрерывные.

Периодический процесс происходит при единовременной загрузке всех компонентов питательной среды и посевного материала в аппарат в начале процесса. Через определенное время аппарат полностью разгружают. Для таких процессов характерно непрерывное изменение физиологического состояния клеток и состава культуральной среды, связанное с жизнедеятельностью микроорганизмов.

Полупериодический процесс отличается от периодического тем, что в нем вещества, необходимые для роста и развития микроорганизмов, добавляют в аппарат по ходу культивирования. Аппарат, как и в предыдущем случае, разгружают единовременно. Добавление питательных веществ или других компонентов в ходе ферментации позволяет создать благоприятные условия для жизнедеятельности культуры в различных фазах культивирования. Следует отметить, что в аэробных микробиологических процессах один из субстратов — атмосферный кислород — поступает непрерывно. Так что чисто периодическим является только анаэробный микробиологический процесс.

Непрерывный процесс характеризуется тем, что подача питательной среды в аппарат и отбор культуральной жидкости из него происходят непрерывно. При постоянной скорости протока в таких системах устанавливается стационарное состояние, которое может сохраняться в течение длительного времени. Концентрация биомассы, субстратов, удельная скорость роста микроорганизмов и другие параметры при этом постоянны.

Известен целый ряд промежуточных вариантов такого процесса, которые можно отнести к одному из перечисленных классов или выделить в отдельные классы. Рассмотрим наиболее важные из них.

Отъемно-доливной процесс характеризуется непрерывным добавлением питательных веществ в аппарат и периодическими отборами части культуральной жидкости из него. Этот процесс можно рассматривать, с одной стороны, как разновидность полупериодического процесса, считая, что отливы культуральной жидкости — технический прием, необходимый для того, чтобы аппарат не переполнялся вследствие увеличения объема ферментационной жидкости после доливов. С другой стороны, это разновидность непрерывного процесса, отличающаяся тем, что отбор культуральной жидкости производится не непрерывно, а периодически.

Многоциклический процесс представляет собой обычный периодический (или полупериодический) процесс, в котором в качестве посевного материала используют часть культуральной жидкости, полученной на предыдущей операции. По окончании очередной операции из ферментёра сливают не всю культуральную жидкость, а 85—95% и добавляют свежую среду. При этом отпадает необходимость использовать специальные посевные аппараты.

При реализации таких процессов, помимо технических трудностей (например, обеспечение асептических условий), могут возникнуть трудности, связанные с тем, что физиологическое состояние микроорганизмов к концу ферментации существенно отличается от состояния посевного материала. В связи с этим многоциклический процесс не всегда эффективнее периодического, особенно при биосинтезе вторичных метаболитов.

Одним из факторов, тормозящих рост биомассы и синтез целевых продуктов в периодических и полупериодических процессах, является накопление в ферментационной жидкости продуктов метаболизма, ингибирующих рост культуры. Для извлечения из аппаратов этих продуктов (к которым могут относиться и целевые) С ОДновременным сохранением микроорганизмов пользуются фильтрацией через полупроницаемые мембраны. Культура, растущая в таких условиях, называется диализной. В результате селективного извлечения ингибирующих продуктов появляется возможность в течение длительного времени поддерживать высокую интенсивность процесса биосинтеза, сводя к минимуму затраты субстрата на выращивание новой биомассы (по сравнению с непрерывным или отъемно-доливным процессом). Однако из-за технических трудностей диализные процессы пока не получили широкого распространения.

Несмотря на резкое возрастание интереса к непрерывным процессам в последние годы, большинство промышленных процессов микробиологического синтеза внеклеточных продуктов (антибиотиков, аминокислот и т.п.) по-прежнему периодические или полу-периодические. Это связано не только с техническими трудностями перехода к непрерывному процессу, но и с тем, что не во всех случаях непрерывный процесс предпочтительнее периодического. Например, при низкой удельной скорости роста биомассы периодический процесс по эффективности не уступает непрерывному и более выгоден, так как его проще осуществить. Кроме того, интенсивный биосинтез многих продуктов метаболизма происходит при медленном росте биомассы. В периодических процессах концентрация целевого продукта в культуральной жидкости обычно выше, чем в непрерывных, что существенно повышает эффективность стадий выделения и очистки продукта. Все это свидетельствует о том, что периодические (и полупериодические) процессы в будущем будут применяться.

В зависимости от того, в какой фазе происходит рост микроорганизмов, процессы культивирования делят на поверхностные, твердофазные и глубинные. В первом случае культура растет на поверхности жидкой питательной среды, потребляя содержащиеся в ней субстраты и выделяя в эту среду продукты метаболизма. При твердофазном культивировании клетки растут на поверхности твердой среды, содержащей достаточное количество влаги и питательных веществ (чаще всего основу такой среды составляют пшеничные отруби). При глубинном культивировании, наиболее распространенном сейчас, микроорганизмы распределяются по всему объему жидкой питательной среды, а кислород поступает к клеткам в результате интенсивной аэрации и перемешивания.

В зависимости от цели проведения биотехнологические процессы можно разделить на следующие группы:

1) культивирование — целевым продуктом является сама биомасса

микроорганизмов или ее компоненты (производство кормовых

и хлебопекарных дрожжей, вакцин и др.);

  • 2) биосинтез внеклеточных продуктов метаболизма (производство спирта, уксусной и лимонной кислот, аминокислот, антибиотиков, экзоферментов и др.);
  • 3) биосинтез внутриклеточных продуктов метаболизма (эндоферментов и др.);
  • 4) процессы, в которых микроорганизмы и их компоненты используются как биокатализаторы для осуществления тонких химических реакций (производство 6-аминопенициллановой кислоты, гормональных препаратов);
  • 5) избирательная утилизация некоторых компонентов из смеси (депарафинизация нефти, биологическая очистка сточных вод);
  • 6) микробиологическое выщелачивание ценных элементов из руд (биометаллургия).
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы