1.4. Элементы, слагающие

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Основными элементами, слагающими биотехнологические процессы,

являются: биологический агент, субстрат, аппаратура и продукт.

Биологический агент является активным началом в биотехнологиче-

ских процессах и одним из наиболее важных ее элементов. Номенклатура

биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени

важнейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка

(табл. 1.1, 1.2).

Микробные клетки с различными химико-технологическими свойст-

вами могут быть выделены из природных источников и далее с помощью

традиционных (селекция, отбор) и новейших методов (клеточная и гене-

тическая инженерия) существенно модифицированы и улучшены. При

выборе биологического агента и постановке его на производство прежде

всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов. Это значит,

что микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохра-

нять свои основные физиолого-биохимические свойства в процессе дли-

тельного ведения ферментации. Промышленные продуценты также долж-

ны обладать устойчивостью к мутационным воздействиям, фагам, зараже-

нию посторонней микрофлорой (контаминации); характеризоваться без-

вредностью для людей и окружающей среды, не иметь при выращивании

побочных токсичных продуктов обмена и отходов, иметь высокие выходы

продукта и приемлемые технико-экономические показатели.

В настоящее время многие промышленные микробные технологии ба-

зируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем ре-

шающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы,

не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также

экстремофилы – организмы, развивающиеся в экстремальных условиях

среды (термофильные, алкало- и ацидофильные).

22

Т а б л и ц а 1 .1

Микрооорганизмы, используемые в промышленности

для получения целевых продуктов

Организм Тип Продукт

Saccharomyces cerevisiae Дрожжи Пекарские дрожжи, вино, эль, саке

Streptococcus thermophilus

Propionibacterium shermanii

Бактерии

Бактерии

Иогурт

Швейцарский сыр

Gluconobacterium suboxidans Бактерии Уксус

Penicillium roquefortii Плесень Сыры типа рокфора

Aspergillus oryzae Плесень Саке

Saccharomyces cerevisiae Дрожжи Этанол

Clostridium acetobutylicum Бактерии Ацетон

Xanthomonas campestris Бактерии Полисахариды

Corynebacterium glutamicum Бактерии L-Лизин

Candida utilis Дрожжи Микробный белок

Propionibacterium Бактерии Витамин В12

Aspergilus oryzae Плесень Амилаза

Kluyveromyces fragilis Дрожжи Лактаза

Saccharomycopsis lipolytica Дрожжи Липаза

Bacillus Бактерии Протеазы

Endothia parasitica Плесень Сычужный фермент

Leocanostoc mesenteroides Бактерии Декстран

Xanthomonas campestris Бактерии Ксантан

Penicillium chrysogenum Плесень Пенициллины

Chehalosporium acremonium Плесень Цефалоспирины

Rhizopus nigricans Плесень Трансформация стероидов

Гибридомы – Иммуноглобулины

и моноклональные антитела

Клеточные линии млекопитающих – Интерферон

E. coli (рекомбинантные штаммы) Бактерии Инсулин, гормон роста, интерферон

Blakeslea trispora Плесень β-Каратин

Phaffia rhodozyma Дрожжи Астаксантин

Bacillus thuringiensis Бактерии Биоинсектициды

Bacillus popilliae Бактерии Биоинсектициды

В последние годы расширяется применение смешанных микробных

культур и их природных ассоциаций. По сравнению с монокультурами,

микробные ассоциации способны ассимилировать сложные, неоднород-

ные по составу субстраты, минерализуют сложные органические соедине-

ния, имея повышенную способность к биотрансформации, имеют повы-

шенную устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и

токсических веществ, а также повышенную продуктивность и возмож-

ность обмена генетической информацией между отдельными видами со-

23

общества. Основные области применения смешанных культур – охрана

окружающей среды, биодеградация и усвоение сложных субстратов.

Особая группа биологических агентов в биотехнологии – ферменты,

так называемые катализаторы биологического происхождения. Ферменты

______находят все большее применение в различных биотехнологических про-

цессах и отраслях хозяйствования, но до 60-х годов это направление сдер-

живалось трудностями их получения, неустойчивостью, высокой стоимо-

стью. Как отдельную отрасль в создании и использовании новых биологи-

ческих агентов следует выделить иммобилизованные ферменты, которые

представляют собой гармонично функционирующую систему, действие

которой определяется правильным выбором фермента, носителя и способа

иммобилизации. Преимущество мобилизованных ферментов в сравнении

с растворимыми заключается в следующем: стабильность и повышенная

активность, удержание в объеме реактора, возможность полного и быст-

рого отделения целевых продуктов и организации непрерывных процес-

сов ферментации с многократным использованием биологического агента.

Иммобилизованные ферменты открывают новые возможности в создании

Т а б л и ц а 1 .2

Важнейшие группы субстратов, биологических агентов

и образуемых в биотехнологических процессах продуктов (по Виестур и др., 1987).

Субстраты Биологические агенты Продукты

Меласса, сок сахарного тро-

стника, гидролизаты расти-

тельных полимеров.

Микроорганизмы, расти-

тельные и животные клетки,

в том числе потической ин-

женерии.

Биоудобрения и биоинсекти-

циды, микробные биомассы,

диагностикумы, вакцины.

Сахара, спирты,

органические кислоты.

Парафины нефти.

Полупродукты,

предшественники

биотрансформации.

Природный газ,

водород.

Отходы с/х и лесной

промышленности.

Отходы промышленности,

в том числе переработки

фруктов и овощей.

Бытовые отходы,

сточные воды.

Молочная сыворотка.

Картофель, зерно.

Зеленая биомасса растений.

Вирусы.

Компоненты клеток:

мембраны, протопласты,

митохондрии, ферменты.

Внеклеточные продукты:

ферменты, коферменты.

Иммобилизованные клетки

микроорганизмов, растений

и животных, их компоненты

и внеклеточные продукты.

Биогаз.

Чистые продукты,

медикаменты, диагностикумы.

Гормоны и др. продукты

биотрансформации

Органические кислоты.

Полисахариды.

белок одноклеточных.

Пищевые продукты.

Экстракты, гидролизаты.

Спирты,

органические растворители.

Антибиотики

Аминокислоты.

Ферменты, витамины.

Металлы, неметаллы.

Моноклональные антитела.

24

биологических микроустройств для использования в аналитике, преобра-

зовании энергии и биоэлектрокатализе.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития

биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гиб-

ридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется

получению новейших биологических агентов – трансгенных клеток мик-

роорганизмов, растений, животных генноинженерными методами. Разви-

ты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с

использованием различных синтетических и биологических материалов

(мембраны с заданными свойствами, изотопы, магнитные материалы, ан-

титела). Разрабатываются подходы к конструированию ферментов с за-

данными свойствами, имеющими повышенную реакционную активность и

стабильность. В настоящее время реализован синтез полипептидов желае-

мой стереоконфигурации и пр.

Таким образом, в биотехнологических процессах возможно использо-

вание различных биологических агентов с различным уровнем организа-

ции, – от клеточной до молекулярной.

Субстраты и среды, используемые в биотехнологии, весьма разнооб-

разны, и их спектр непрерывно расширяется (табл. 1.2). С развитием про-

мышленных процессов происходит накопление новых видов отходов, ко-

торые могут быть обезврежены и конвертированы в полезные продукты

методами биотехнологии. С одной стороны, развивающиеся бурными тем-

пами биотехнологические промышленные направления сталкиваются с

проблемой исчерпания традиционных видов сырья, поэтому возникает

необходимость в расширении сырьевой базы, с другой, – увеличение объ-

емов накапливающихся отходов делает необходимым разработку нетра-

диционных, в том числе биотехнологических способов их переработки.

В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к при-

родным возобновляемым ресурсам – продуктам фотосинтеза, биоресурсам

мирового океана. В состав сред для биотехнологических процессов входят

источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые

факторы. В качестве источников углерода и энергии в биотехнологиче-

ских процессах используют главным образом природные комплексные

среды неопределенного состава (отходы различных производств, продук-

ты переработки растительного сырья, компоненты сточных вод и пр.), в

которых помимо углеродных соединений содержатся также минеральные

элементы и ростовые факторы. Довольно широко включены в разряд био-

технологических субстратов целлюлоза, гидролизаты полисахаридов и

древесины. Последние около 30 лет используют для получения белка од-

ноклеточных. Кислотный гидролиз древесины при 175–190°С обеспечива-

ет выход в среду до 45–50 % редуцирующих веществ; при более жестких

режимах гидролиза эта величина возрастает до 55–68 %. С большим успе-

хом в последние годы стали применять гидролизаты торфа, это позволяет

25

снизить стоимость, например, препаратов аминокислот в 4–5 раз. Мине-

ральные элементы, необходимые для роста биологических агентов и вхо-

дящие в состав питательных сред, подразделяются на макро- и микроэле-

менты. Среди макроэлементов на первом месте стоит азот, так как по-

требности в нем у биологических объектов на порядок превышают по-

требности в других элементах (фосфоре, сере, калии и магнии). Азот

обычно используется микроорганизмами в восстановленной форме (моче-

вина, аммоний или их соли). Часто азот вводится в комплексе с другими

макроэлементами – фосфором, серой. Для этого в качестве их источников

используют соли (сульфаты или фосфаты аммония). Для ряда отдельных

продуцентов, однако, лучшими являются нитраты или органические со-

единения азота. Существенное значение при обеспечении азотного пита-

ния продуцента имеет не только вид, но концентрация азота в среде, так

как изменение соотношения C:N, воздействуя на скорость роста проду-

цента, метаболизм, вызывает сверхсинтез ряда целевых продуктов (ами-

нокислот, полисахаридов и др.). Минеральные элементы необходимы для

роста любого биологического агента, но их концентрация в среде в зави-

симости от биологии используемого биообъекта и задач биотехнологиче-

ского процесса различна. Так, концентрация макроэлементов в среде (K,

Mg, P, S) обычно составляет около 10–3–10–4 М. Потребности в микроэле-

ментах невелики, и их концентрация в средах существенно ниже – 10–6–

10–8 М. Поэтому микроэлементы часто специально не вносят в среде, так

как их примеси в основных солях и воде обеспечивают потребности про-

дуцентов. Отдельные продуценты в силу специфики метаболизма или пи-

тательных потребностей нуждаются для роста в наличие в среде ростовых

факторов (отдельных аминокислот, витаминов и пр.). Помимо чистых ин-

дивидуальных веществ такой природы, на практике часто используют в

качестве ростовых добавок кукурузный или дрожжевой экстракт, карто-

фельный сок, экстракт проростков ячменя, зерновых отходов и отходов

молочной промышленности. Стимулирующее действие данных ростовых

факторов во многом зависит от индивидуальных свойств применяемого

продуцента, состава основной среды, условий ферментации и др. Добав-

ление ростовых факторов способно увеличить выход целевого продукта,

например ферментов, в десятки раз.

Традиционно состав питательной среды, оптимальной для биотехноло-

гического процесса, определяется методом длительного эмпирического

подбора, в ходе которого на первых этапах определяется качественный и

количественный состав среды. Было сделано много попыток обоснования

состава сред с позиций физиологии и биохимии продуцента, но так как

потребности в питательных веществах видо- и даже штаммоспецифичны,

в каждом конкретном случае приходится подбирать оптимальный для кон-

кретного продуцента состав среды. В последние 20–25 лет все шире ис-

пользуют математический метод планирования экспериментов, математи-

26

ческое моделирование биотехнологических процессов; это позволяет

обоснованно подходить к конструированию питательных сред сделать их

экономичными.

Аппаратура. Вопросами технического обеспечения биотехнологиче-

ских процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов су-

ществует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса

ферментации, а также для выделения и получения готового продукта.

Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии.

Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэроб-

ный глубинный стерильный и непрерывный (или с подпиткой субстра-

том). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее

сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореак-

торов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от

нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность

методов культивирование, чрезвычайное многообразие используемых

биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктив-

ных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и сре-

ды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и

пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положе-

ниях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою

специфику. Принципиальное отличие биотехнологических процессов от

чисто химических заключается в следующем:

– чувствительность биологических агентов к физико-механическим

воздействиям;

– наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клет-

ки», «газ – жидкость – клетки»);

– требования условий асептики;

– низкие скорости протекания многих процессов в целом;

– нестабильность целевых продуктов;

– пенообразование;

– сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.

Рассмотрим некоторые типы ферментационных аппаратов.

Аппараты для анаэробных процессов достаточно просты и применяют-

ся в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных

отходов, а также различных промышленных отходов. При метановом бро-

жении для получения биогаза, а также в ряде других процессов (получе-

ние ацетона, шампанских вин) используют ферментационные аппараты

(метанотенки). Эти аппараты имеют различную конструкцию (от простой

выгребной ямы до сложных металлических конструкций или железобе-

тонных сооружений) и объемы (от нескольких до сотен кубометров)

(рис.1.5). Метановые установки оборудованы системой подачи сырья,

системой теплообменах труб для стабилизации температуры, несложным

перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и

27

биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного

объема (газгольдер) для сбора образуемого биогаза.

Конструкция аппаратов для аэробной ферментации определяется ти-

пом ферментации и сырья. Аппараты для аэробной поверхностной фер-

ментации, широко применяемые для производства органических кислот и

ферментов, достаточно просты по конструкции и, соответственно, подраз-

деляются на жидкофазные и твердофазные. Поверхностная жидкофазная

ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых

камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кю-

веты. В кюветы наливают жидкую питательную среду, высота слоя со-

ставляет 80–150 мм, затем с потоком подаваемого воздуха среду инокули-

руют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, темпера-

тура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культураль-

ная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцера

и поступает на обработку. При твердофазной ферментации процесс также

протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах раз-

мещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10–15

мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит

через перфорированное днище лотков.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как

конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача,

возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсив-

ности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется

транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из

среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным

показателем массообменных характеристик ферментера служит коэффи-

циент массопередачи кислорода, так как кислород является основным ли-

1

2

3 4

отходы

биогаз

Рис. 1.5. Схема метановой установки.

1 – дозирующее устройство, 2 – теплообменник, 3 – метанотенк; 4 – газгольдер.

28

митирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход

кислорода на образование 1 кг биомассы в зависимости от типа углерод-

содержащего сырья и степени его восстановленности может составлять от

0.75 до 5.00 кг. Клетки способны утилизировать кислород только в рас-

творенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его кон-

центрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного проду-

цента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна пре-

вышать скорость его включения в клетки, и в околоклеточном простран-

стве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кро-

ме этого, концентрация клеток и растворенного субстрата должны быть

равномерными по всему объему ферментера. Поэтому перемешивание

является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую

гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемеши-

вании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и диспергируясь увеличива-

ют площадь контакта фаз «среда-клетка». Однако чрезмерное перемеши-

вание может вызвать механическое повреждение биологических объектов.

К настоящему времени разработано и применяется огромное количест-

во разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и клас-

сифицировать их практически невозможно. Наиболее удачна, по нашему

мнению, попытка классификации ферментационных аппаратов для аэроб-

ной глубинной ферментации по подводу энергии (Виестур ______и др., 1986;

1987). Согласно этой классификации, аппараты такого типа делятся на три

группы по подводу энергии: 1) – к газовой фазе, 2) – к жидкой фазе, 3) –

комбинированный подвод.

Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ). Их

общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая

является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой

конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой экс-

плуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные

характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м3)

(рис. 1.6). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость,

снабженную газораспределительным устройством одного из известных

типов. Барботажные газораспределительные устройства обычно устанав-

ливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распредели-

тельную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом тол-

щу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1–2 кг/м3 ч;

барботажно-колонный – в нижней части корпуса такого аппарата устанав-

ливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0.0005 м или

сопловой эжектор с диаметром сопла 0.004 м; барботажно-эрлифтный

аппарат характеризуется наличием внутри одного или нескольких диффу-

зо

29

1

2

3

в) Воздух

1

4

3

2

а) Воздух

1

2

3

Воздух

б)

1

2

4

Воздух

г)

3

5

4

Воздух

д)

1

2

3

5

1

2

4

3

Воздух

е)

Рис. 1.6. Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др., 1986).

а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 коллектор, б) барботажный колон-

ный: 1 – корпус, 2 – рубашка, 3 – воздухораспределитель, в) барботажно-эрлифтный: 1 – корпус, 2 – диф-

фузор-теплообменник, 3 – воздухораспределитлье; г) газлифтный: 1 – корпус,2 – диффузор, 3 – дисперга-

тор,

4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник, д) трубчатый: 1 – пеногаситель, 2 – емкость, 3 – дисперга-

тор, 4 – корпус, 5 – распределительная перегородка, е) с плавающей насадкой: 1 – рубашка, 2 – тарелка,

3 – насадка, 4 – корпус.

30

а)

1

3 1

Воздух

б)

Воздух

1

2

5

4

3

в)

1

2

3

4

6

5

1

1

3

4

4

2

г)

Рис. 1.7. Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) (Виестур и др. 1986).

а) – с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник,

б) – эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор, в) – струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 –

теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой, г) – струйный с плавающей

струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор.

ров («стаканов») или нескольких перегородок для принудительного раз-

деления восходящих и нисходящих потоков циркулирующей жидкости;

эти элементы расположены равномерно по сечению аппарата или концен-

трично; газлифтный колонный ферментер состоит из двух колонн разного

диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботаж-

ную колонну с восходящим потоком воздуха, другая – циркуляционная, с

нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата в барбо-

тажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппара-

та, образует большую поверхность контакта фаз; трубчатый аппарат скон-

струирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при

31

высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме,

поэтому массообмен интенсивнее; аппарат с плавающей насадкой позво-

ляет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности кон-

такта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями

подачи газовой и жидкой фаз. В аппарат введены секционные элементы в

виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата на-

ходится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает

противотоком сверху. Газ, поступая на лопастную насадку, обычно из по-

лиэтилена, вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контак-

та газовой и жидкой фаз.

Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ) наибо-

лее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее вы-

сокие по сравнению с группой ферментеров ГФ значения коэффициента

массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м3 ч. В данных аппаратах ввод энер-

гии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалка-

ми или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат че-

рез специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппа-

раты также можно подразделит на ряд типов (рис. 1.7): ферментеры с са-

мовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных

машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате раз-

режения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с

жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки; в эжекционных фермен-

терах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, одна-

ко требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержа-

щей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых суб-

стратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок;

струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются

мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из ниж-

ней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэри-

рующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные).

Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает

аэрируемую жидкость до дна аппарата. Происходят интенсивные турбу-

лизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается

насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый

контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери

энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с

отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы

струйных и эжекционных устройств.

Третья группа аппаратов – с подводом энергии газовой и жидкой фа-

зами (группа ФЖГ). Основными их конструкционными элементами яв-

ляются перемешивающие устройства всех известных типов, а также нали-

чие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Это могут

быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для пере-

32

качивания культуральной жидкости и другие сочетания перемешивающих

и аэрирующих устройств. Коэффициент массопереноса кислорода в таких

ферментерах может в принципе иметь любые из известных значения.

Перечисленные типы аппаратов возникли в основном в течение «эры»

антибиотиков и белка одноклеточных и применяются, главным образом, в

технической микробиологии.

Прогресс в области получения клеточных и рекомбинантных культур

выдвигает специальные требования к биореакторам. При этом на первый

план выдвигаются такие показатели, как стабильность биологических

агентов, повышенные требования к асептике, лимитация срезовых усло-

вий при перемешивании и др. Однако, многие из таких конструкций пока

еще носят экспериментальный характер.

Продукты. Ассортимент продуктов, получаемых в биотехнологиче-

ских процессах, чрезвычайно широк. По разнообразию и объемам произ-

водства на первом месте стоят продукты, получаемые в процессах, осно-

ванных на жизнедеятельности микроорганизмов. Эти продукты подразде-

ляются на три основные группы:

1 группа – биомасса, которая является целевым продуктом (белок од-

ноклеточных) или используется в качестве биологического агента (био-

метаногенез, бактериальное выщелачивание металлов);

2 группа – первичные метаболиты – это низкомолекулярные соедине-

ния, необходимые для роста микроорганизмов в качестве строительных

блоков макромолекул, коферментов (аминокислоты, витамины, органиче-

ские кислоты);

3 группа – вторичные метаболиты (идиолиты) – это соединения, не

требующиеся для роста микроорганизмов и не связанные с их ростом (ан-

тибиотики, алкалоиды, гормоны роста и токсины).

Среди продуктов микробиологического синтеза – огромное количество

различных биологически активных соединений, в том числе белковых и

лекарственных веществ, ферментов, а также энергоносители (биогаз,

спирты) и минеральные ресурсы (металлы), средства для борьбы с вреди-

телями сельскохозяйственных культур (биоинсектициды) и биоудобрения

(табл. 1.1, 1.2). В связи с развитием новейших методов биотехнологии

(инженерной энзимологии, клеточной и генной инженерии) спектр целе-

вых продуктов непрерывно дополняется. Среди них все большее место

занимают средства диагностики и лечения (гибридомы, моноклональные

антитела, вакцины и сыворотки, гормоны, модифицированные антибиоти-

ки).