Процесс ферментации. Основные характеристики.

Процесс ферментации - процесс, в котором происходит преобразование исходного сырья в продукт с использованием биохимической деятельности микроорганизмов или изолированных клеток. Практически синонимами слова «ферментация» можно считать такие термины, как культавирование, выращивание микроорганизмов, боисинтез. Следует отличать ферментацию от биокатализа (в котором уже полученный ранее фермент или биомасса микроорганизмов используются как катализаторы биохимического процесса синтеза продукта из исходного сырья и реагентов) и от биотрансформации (в этом процессе также применяется биокатализатор в виде фермента или биомассы микроорганизмов, но исходное вещество по химической структуре мало отличается от продукта биотрансформации).

Процессы биокатализа и биотрансформации

Мы уже говорили, что биокатализ и биотрансформация являются процессами химического превращения одного или более веществ, протекающими под действием кадализаторов ферментов, применяемых в очищенном виде или в составе клеток микроорганизмов либо изолированных животных или растительных клеток. При этом биотрансформация — это относительно неглубокое химическое превращение уже в основном сформированного химического соединения под влиянием ферментов. При биокатализе же возможен синтез нового вещества из различных по структуре реагентов или разложение сложного вещества под

действием ферментов. Рассмотрим основные группы технически важных

биотрансформации:

гидроксилирование различных позиций молекулы вещества (добавление гидроксильной группы ОН); введение двойной связи в том или ином месте; обрыв боковых цепей у разветвленных молекул; окисление молекул спиртов до кетонов; дегидрирование; изомеризация; ароматизация (появление ароматических углеводородных радикалов). Назовем также основные виды реакций биокатализа (практически они будут совпадать с наименованиями основных групп ферментов вообще): окисление и восстановление; перенос химических функциональных групп от одних молекул на другие; гидролиз; реакции с участием двойных связей (образование или, наоборот, присоединение к ним химических групп); изомеризация, или структурные изменения в пределах одной молекулы; синтез сложных соединений (как правило, требующий энергетических затрат). Как видно из приведенных перечислений, биотрансформация и биокатализ являются процессами, сходными по своей природе

В обоих случаях реакции превращения субстрата в продукт протекают через промежуточную стадию взаимодействия фермента с субстратом (субстратами) и образования фермент-субстратных комплексов. Молекула фермента — очень длинный закрученный белок, к тому же свернутый в виде пространственного упругого клубка причудливой формы.

Спутанность и беспорядок белка не случайны — они строго обусловлены чередованием аминокислот в молекуле фермента. В этой структуре есть участки, куда легко притягивается определенная форма молекулы субстрата. Это как бы ключ—замок, позволяющий нужной молекуле субстрата (или субстратов) быстро занимать свое удобное «ложе», быстро вступать в нужную реакцию и «выскакивать», как только она прошла. Доказано, что скорость реакции на ферменте в 10 млрд. раз больше, чем без него. Вот почему ферменты запросто осуществляют многие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаимодействие атмосферного азота с водой с образованием аммонийных соединений. Вот почему ферменты запросто осуществляют многие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаимодействие атмосферного азота с водой с образованием аммонийных соединений.

Процессы отделения биомассы от культуральной жидкости

Процессы биотехнологической стадии производства

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса. В общем виде система биотехнологического производства продуктов микробного синтеза представлена на рис. 1.

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.

Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными. Далее приводится характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.