Культивирование биообъектов (ферментация).

Центральный процесс биотехнологического производства — биосинтез в ферментере принято характеризовать с использованием разных критериев.

Наиболее часто он дифференцируется по принципу организации материальных потоков на периодический, полупериодический (или регулируемый), непрерывный, отьемно-доливной, многоциклический.

По характеру культивирования продуцента процесс биосинтеза подразделяется на поверхностную и глубинную ферментации.

По типу целевого продукта в биосинтезе выделяют биомассу, высокомолекулярное индивидуальное вещество (ферменты и т.п.), низкомолекулярные первичный и вторичный метаболиты.

Периодический процесс достаточно прост и довольно часто употребляем. Однако его нельзя считать оптимальным. При периодическом процессе единовременно загружают в ферментер все компоненты питательной среды и посевной материал. После этого включаются все элементы обвязки ферментера и совершается полный цикл ферментации. По его завершении культуральная жидкость (вместе с мицелием) сливается и направляется в цех химической очистки для выделения целевого продукта. Таким образом, какой-либо коррекции условий биосинтеза во время ферментационного цикла не выполняется: нет ни постоянного поддержания оптимального соотношения источников углерода, азота, фосфора, ни добавления в нужный момент предшественников целевого продукта, ни сохранения оптимального значения рН и т.п. Все это сказывается на продуктивности ферментации. Выход целевого продукта снижается.

Полупериодический (регулируемый) процесс по сравнению с периодическим более прогрессивен. Улучшаются рост продуцента и биосинтез целевого продукта, появляется возможность коррекции процесса при его отклонениях от оптимальных условий.

Непрерывный процесс ферментации заключается в том, что из ферментера непрерывно отбирают небольшие порции культуральной жидкости и одновременно в него же вносят такой же объем питательной среды. Система оказывается проточной. Использование непрерывного процесса целесообразно, например, в том случае, если целевым продуктом является непосредственно сама биомасса выращиваемого микроорганизма.

Отъемно-доливной ферментационный процесс является промежуточным между периодическим и непрерывным. Культуральная жидкость отбирается более крупными порциями, чем в непрерывном процессе.

Многоциклический процесс является еще одним вариантом периодической ферментации. По завершении ферментационного цикла при сливе культуральной жидкости в аппарате оставляют ее примерно 10%, затем в ферментер вносят 90% (объемн.) свежей питательной среды, и начинается новый ферментационный цикл. Таким образом, для этого процесса не надо ни выращивания нового посевного материала, ни подготовки и стерилизации ферментера и трубопроводов, одновременно экономятся время и средства.

По характеру культивирования продуцента в питательной среде выделяют поверхностную и глубинную ферментацию. Необходимо подчеркнуть, что большинство биообъектов, используемых в качестве продуцентов биотехнологических продуктов, являются аэробами.

При поверхностной ферментации биообъект растет только на поверхности жидкой питательной среды. Хотя целевой продукт (если он водорастворим) распределяется по всему объему среды, биомасса его продуцента располагается лишь в виде поверхностной пленки в любого рода емкостях: колбах, включая так называемые микробиологические матрацы, бутылях и, наконец, даже в ферментере при условии, что не работают мешалка и барботажное устройство, т.е. нет ни массообмена, ни аэрации. Биомассы оказывается очень мало и, соответственно, мало целевого продукта.

При глубинной ферментации, несмотря на различия конструкций ферментеров, клетки продуцента вследствие работы мешалки или турбинного перемешивания и пропускания под давлением воздуха через всю толщу среды «работают» во всем объеме питательной среды. Это делает процесс высокоэкономичным. В ферментере создаются условия для накопления большого количества активно функционирующей биомассы продуцента и, соответственно, целевого продукта.

В качестве примера, относящегося к истории биотехнологии, можно указать, что замена поверхностной ферментации (в колбах и бутылках) на глубинную (в ферментационных аппаратах) позволила в короткий срок резко повысить производство пенициллина, особенно остро необходимого в годы Второй мировой войны.

Ферментационные процессы могут, наконец, быть дифференцированы в технологическом отношении и по типу целевого продукта. Целевым продуктом может быть биомасса; индивидуальное высокомолекулярное вещество (как правило, это фермент — конститутивный или индуцибельный); низкомолекулярный метаболит. Метаболит, в свою очередь, может являться первичным или вторичным. Таким образом, необходимость в индукторах и предшественниках, а также время их внесения в среду зависят от целевого продукта. Поскольку биосинтез вторичных метаболитов характерен для определенных стадий развития культуры продуцента и стимулируется в так называемых стрессовых ситуациях, например, при обеднении среды источниками углерода, азота, фосфора, внесение индукторов и предшественников обязательно в том случае, когда целью ферментационного процесса является именно вторичный метаболит.

Необходимо отметить, что с увеличением сложности организации биологических объектов возрастает время ферментации, например, для:

- бактерий – 1-2 суток при 28 °С,

- актиномицетов – до 5 дней при 26-28 °С,

- грибов – до 7 суток при 24 °С,

- культур растительных клеток – от 14 суток до нескольких месяцов при 26 °С.

Дата добавления: 2015-07-07