Общая схема биотехнологического производства

      Центральное звено любого биотехнологического процесса – штамм, то есть совокупность микроорганизмов одного вида, обладающих специфическими физиолого_биохимическими

признаками.

      Биотехнологическое производство может быть направлено либо на получение максимально возможного количества биомассы (например, производство хлебопекарных дрожжей), либо на достижение максимума выхода продуктов жизнедеятельности клеток. В естественных условиях обмен веществ в клетках осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечи-вается сложной системой его регуляции. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ.

 

      Биотехнологи добиваются сверхсинтеза необходимого продукта метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посред-ством нарушения его регуляторных систем.

 

      Для выделения из природных популяций сверхпродуктивных штаммов используются разно-образные методы.

Селекция – это искусственный отбор организмов с лучшими в своем поколении показателями. Главный недостаток этого метода – его чрезвычайная длительность. Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный на мутагенном воздействии рентгеновского и УФ- излу-чения или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реакций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в

сверхпродуцентов.

      Как правило, методы мутагенеза и селекции используются в совокупности. Например, так были получены высокопродуктивные штаммы бактерий Bacillus subtilis, способные выделять

до 75 кг витамина В2 из тонны питательной смеси.Достижения в области генетики и молеку-лярной биологии позволили биотехнологам начиная с 70_х гг. прошлого века, перейти от слепого отбора штаммов мутантов к сознательному конструированию геномов, используя для этой цели технологию рекомбинантной ДНК – основу современной генной инженерии.

Подробнее об этих механизмах будет рассказано чуть позже, а пока ознакомимся с общей схемой микробиологического производства и вкратце «пройдемся» по достигнутым результатам.

Общая схема микробиологического производства состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка питательной среды

      Питательная среда служит источником органического углерода – основного строительного элемента жизни. Микроорганизмы поглощают широкий спектр органических соединений

– от метана (СH4), метанола (СH3OH) и углекислоты (СO2) до природных биополимеров. Кроме углерода клетки нуждаются в азоте, фосфоре и других элементах (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn и др.) Важный элемент подготовки питательных сред – стерилизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганизмов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрационным или химическим методами.

2. Получение чистых штаммов для внесения в ферментер Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистую культуру

микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность (обычно это достигается хранением при низкой температуре). Необходимо все время поддерживать чистоту культуры, не

допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.

3. Ферментация – основной этап биотехнологического процесса Ферментация – это вся совокуп-ность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой темпера-туры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс проте-кает в специальной установке – ферментере.

Рис 186. Схема ферментера

      Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндр, в котором механически пере-мешиваются среда вместе с микроорганизмами.Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара,пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста: постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворен-ного в среде кислорода.

      По окончании ферментации образуется смесь рабочих микроорганизмов, раствора непо-требленных питательных компонентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном.

4. Выделение и очистка конечного продукта По завершении ферментации продукт, который желали получить, очищают от других составляющих бульона. Для этого используют различные технологические приемы: фильтрацию, сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием центробежной силы), химическое осаждение и др.

5. Получение товарных форм продукта Последней стадией биотехнологического цикла является

получение товарных форм продукта. Они представляют собой либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он предназначен для использования в медицинских целях).