3. Типова схема біотехнологічного виробництва і її основні складові

За спрямованістю всі біотехнологічні виробництва мож­на умовно поділити на дві групи. Перша має на меті одержання мак­симально можливої кількості біомаси, а друга — максимум виходу продуктів життєдіяльності клітин. Продукти першої групи — хлібо­пекарські дріжджі, біомаса нежиттєздатних клітин як джерело кор­мового білка і вітамінів, спори з токсинами {препарати для захисту рослин від шкідників) і т. п. Виробництва другої групи продукують органічні кислоти, ферменти, амінокислоти, антибіотики та інше. При цьому клітини продуцента є відходом виробництва і підляга­ють утилізації.

Незважаючи на різні цілі, загальна схема біотехнологічного ви­робництва в обох випадках може бути представлена у вигляді таких стадій:

• підготовка живильного середовища для культивування проми­слового мікроорганізму— продуцента;

• одержання чистої культури продуцента;

• проведення основної ферментації— культивування продуцента;

• виділення та очищення кінцевого продукту;

• одержання товарних форм продукту.

Продуценти— штами мікроорганізмів, що мають найвищу про­дуктивність.

Штами — чиста культура мікроорганізму чи вірусу (неклітинна форма), одного чітко вираженого виду, що відрізняється від іншої культури того ж виду фізіологічними властивостями.

Нижче наведена біотехно.югічна система, що включає проду­цент, живильне середовише та культивування продуцента.

Особливу перевагу мають ферменти, (мобілізовані на носіях, що має істотні переваги: зростання стабільності, оптимізація рН для каталітичної активності, одержання більш чистих продуктів, полег­шення відновлення і повторного використання, зниження інгібіру-вання ферментів.

3.3. Процес ферментації

Ефективність біотехнологічного виробництва визначається про­веденням процесу основної ферментації.

Ферментація — це сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури живиль­не середопище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клі­тин чи біосинтезу цільового продукту.

По закінченню ферментації утворюється складна суміш, що складається з клітин продуцента, розчину неспожитих живильних компонентів і продуктів біосинтезу, що нагромадилися в середови­щі. Таку суміш називають культу -рал ьною рідиною.

Процес ферментації може здійснюватися двома способами:

• поверхневого культивування, коли вирощування виробничої куль-­ тури роблять у середовищі, що містить тверді частки субстрату;

• глибинного культивування, коли вирощування тієї ж культури мікроорганізмів відбувається у всьому об'ємі рідкого живиль­ного середовища, що містить розчинений субстрат.

Більш розповсюдженим у мікробіологічній промисловості є ме­тод глибинного культивування, тому що він дозволяє за одиницю часу в одиниці об'єму виробляти більшу кількість цільового проду­кту порівняно з поверхневим способом.

Більшість культур мікроорганізмів, що використовуються у су­часному виробництві, є аеробними, тобто вимагають присутності кисню в середовищі, що досягається шляхом забезпечення необхід­ної концентрації розчиненого кисню в рідкому живильному середо­вищі. Крім того, застосовуються й анаеробні процеси.

Розрізняють такі види аеробної й анаеробної ферментації: гли­бинна, поверхнева, періодична, безупинна, з імобілізованим проду­центом, газова й ін.

Вид і спосіб проведення основної ферментації вибирається для кожного конкретного виробництва, виходячи з природи продуцен­та, заданої продуктивності, властивостей кінцевого продукту та ін­ших мотивів.

.4. Ферментатори або біореактори

Ферментацію здійснюють у ємкісних апаратах, що називаються ферментаторами, чи ферментерами, або біореакторами. Такий апарат повинен забезпечувати:

• ріст і розвиток популяції мікроорганізмів в об'ємі рідкої фази;

• підведення живильних речовин до клітин мікроорганізмів;

• відведення від мікробних клітин продуктів їхнього обміну ре­човин (метаболізму);

• відведення із середовища утвореного клітинами тепла. Найпростіший ферментер складається з ємкості 1, що визначає робочий об'єм апарата, системи введення і виведення рідинних і газових потоків 2, системи перемішування 3, що забезпечує най­більш повне змішування компонентів живильного середовища, си­стеми диспергування повітря (при проведенні аеробних проце­сів) — барботера 4, пристроїв для відведення тепла чи нагрівання - змійовика 5 і сорочки 6.

Апарат для глибинного культивування

мікроорганізмів (ферментер):

/— ємкість; 2— система введення і

виведення рідинних і газових потоків;

З — система перемішування; 4 — барботер;

5— змійовик; 6— сорочка

Залежно від мети біотехнологічного виробництва - одержання клітин чи продуктів їхньої життєдіяльності - способи ведення основної ферментації трохи відрізняються. Якщо процес спрямова­ний на одержання біомаси, то призна­чення ферментації— отримати макси­мально можливу масу клітин, а у випадку одержання метаболітів їхнє нагромадження здійснюється одночас­но, причому максимуми утворення продуцента і цільового продукту зав­жди зміщені в часі. Тому тривалість ферментації в першому випадку зав­жди менше, ніж у другому.

Головна вимога до ферментато­рів — збереження стерильності, тому вони повинні бути герметичними, усі лінії трубопроводу повинні бути доступними для обробки гарячою парою.

Тип ферментатора для кожного біотехнологічного процесу виби­рають з урахуванням специфіки продуцента, властивостей середо­вища й економічних міркувань,

3.5. Виділення, очишення і концентрування продуктів ферментації

Культуральна рідина містить клітини і продукти їхньої життєді­яльності і виходить з ферментера у вигляді водної суспензії, для якої характерний, як правило, невисокий вміст основного компо­ненту і наявність багатьох домішок. На першому етапі в більшості виробництв проводять виділення завислих частинок. Якщо розчи­нені метаболіти не являють практичної цінності, то рідку фазу вва­жають відходом виробництва і направляють на очисну споруду, а переробці підлягає тільки сконцентрована біомаса.

Зазвичай для виділення й очищення продуктів ферментації ви­користовують відомі в хімічній технології методи й апаратуру. Ви­трати на ці операції можуть перевищувати витрати на приготуван­ня живильних середовищ і на ферментацію на 30—50 %. Найбільш широко застосовувані в БТ методи виділення й очищення продук­тів приведені в наступній таблиці.

Сутність методу	Застосування
Дистиляція (випаровування продукту з наступною конденсацією) Зневоднювання (випарювання, сушіння) Ліофілізація Виморожування (видалення льоду) Осадження у вигляді нерозчинних солей Кристалізація	Розчинники: ацетон, спирти Кормові концентрати, кормові антибіотики Закваски, вакіїини, гормони Ферменти Лимонна кислота, молочна кислота Глутаміновіі кислота

Останньою стадією технологічного циклу в мікробіологічному син­тезі є одержання товарної форми продукту. Стадія фасовки препаратів кормового і технологічного призначення полягає в упакуванні їх у тару, розміри і тип якої визначаються потребами замовника і власти­востями продукту.

Для препаратів медичного призначення стадія упакування ускла­днюється тим, що препарати повинні мати високий ступінь чисто­ти і дуже часто абсолютну стерильність. Це змушує використовува­ти спеціальну технологію, що дозволяє стерилізувати речовини і підготовлену для них тару, і проводити наповнення й упакування тари п асептичних умовах.

3.6. Виробництво кормової мікробної біомаси як типовий приклад біотехнелогічного процесу

Як вже вказувалося, до числа широковідомих виробництв, що по праву можуть вважатися біотехнологічними, належать хлібопечіння, виноробство, пивоваріння, одержання оцту, кисломолочних про­дуктів (кисляку, кумису, кефіру, йогурту та ін.). багато з них люд­ство реалізувало задовго до того, як були отримані перші уявлення про мікроорганізми, що є безпосередніми учасниками цих проце­сів. Продуцентами у цих виробництвах служили мікроорганізми, що випадково потрапили і розвинулися із самої сировини.

Прикладом сучасного БТ- виробництва може служити процес одержання кормової мікробної біомаси, чи як її ще називають — мікробіального білку, кормового білку, білково-вітамінного ком­плексу, кормових дріжджів. Цей продукт одержують за допомогою мікроорганізмів з відходів лісообробної промисловості, а також па­рафінів нафти.

Виробництво мікробної біомаси порівняно з альтернативними технологіями має такі переваги:

• мікроорганізми мають високу швидкість нагромадження біо­маси, що у 500-5000 разів вища, ніж відповідно у тварин і рослин;

• мікробні клітини здатні накопичувати дуже велику кількість білку (дріжджі - до 50 %, бактерії - до 60 % по масі);

• у біотехнології за рахунок високої специфічності мікроорганізмів відсутня багатостадійність, властива хімічним технологіям;

• процес вирощування мікроорганізмів протікає в м'яких умовах при температурі 30-40 °С, як правило, при тиску, близькому до атмосферного;

• технологічний процес одержання сухої біомаси менш трудо­ місткий порівняно з виробництвом сільськогосподарської про­дукції.

Крім того, необхідно зазначити, що сам технологічний процес одержання кормової біомаси мало залежить від виду використову­ваної сировини. За багатьма показниками неп продукт, як повно­цінний корм, такий самий чи навіть перевершує продукти рослин­ного чи тваринного походження. Наприклад, застосування тонни біомаси в птахівництві додатково дає 25—30 тис. штук яєць і півто­ри -• дві тонни м'яса птахів, при цьому заощаджується 5—7 т фуражного зерна. Ця ж кількість біомаси дає змогу збільшити виро­бництво свинини на 0,8 т і скоротити витрати зерна на 3,5—5 т. За живильною цінністю тонна кормової мікробної біомаси заміняє 8 т незбираного молока при вирощуванні телят.

Принципова схема одержання мікробної біомаси наведена нижче.