Процеси у біотехнології
Важливим завданням у створенні будь-якого біотехнологічного процесу є розробка та оптимізація науково-обґрунтованої технології та апаратури для нього.
При організації біотехнологічних виробництв частково запозичили досвід розвиненої на той час хімічної технології. Однак біотехнологічні процеси мають суттєві відмінності від хімічних, оскільки в біотехнології використовують складнішу організацію матерії – біологічну. Кожен біологічний об'єкт (клітина, фермент і т. д.) - це автономна система, що саморегулюється. Природа біологічних процесів складна і не з'ясована остаточно. Для мікробних популяцій, наприклад, характерна суттєва гетерогенність за низкою ознак - віком, фізіологічною активністю, стійкістю до впливу несприятливих факторів середовища.
Вони також схильні до випадкових мутацій, частота яких становить 10-4-10-8. Гетерогенність також може бути обумовлена наявністю поверхонь поділу фаз та неоднорідністю середовища.
В основу підрозділу біотехнологічних процесів можуть бути покладені різні принципи, наприклад, оцінка належності об'єктів до надцарств живих істот, функціональної активності біооб'єкта, можливості розподілу окремих етапів з біотехнологічних схем виробництва у вигляді самостійних процесів: виділення, очищення та пакування готового продукту і т.д. (Табл. 2.1).
Класифікаційні схеми такого роду виправдані і ними можна скористатися як рівноправними.
Біотехнологічні процеси умовно можна поділити на біологічні, біохімічні та біоаналогічні. До перших відносять ті з них, які ґрунтуються на використанні акаріот, прокаріотів та еукаріотів, другі - на використанні ферментів і треті - на хімічному синтезі або напівсинтезі речовин,функціонально близьких або еквівалентних первинним (отримання амінокислот та ін.) або вторинним метаболітам живих організмів (отримання похідних пеніциліну та цефалоспорину, тетрацикліну, нуклеїнових основ та ін.).
У загальному вигляді будь-який біотехнологічний процес включає 3 основні стадії: передферментаційну, ферментаційну та постферментаційну. Принципова схема реалізації біотехнологічних процесів у загальному вигляді може бути представлена схемою, в якій зроблено спробу відобразити всі варіанти ферментаційних процесів (рис. 2.1).
Передферментаційна стадія
На цій стадії здійснюється зберігання та підготовка культури продуцента (інокулята), підготовка та отримання поживних субстратів та середовищ, ферментаційної апаратури, технологічних та рециркульованих води та повітря.
Компоненти живильних середовищ підбирають на підставі розрахунку матеріального балансу, пов'язаного з трансформацією того чи іншого джерела живлення в клітинну біомасу та/або метаболіт при обліку енергії, що витрачається (виділяється). Зазвичай якісний та кількісний склад поживних середовищ вказаний у регламентній документації.
Підтримка та підготовка чистої культури є дуже важливим моментом передферментаційної стадії для одержання цільових продуктів: найчастіше це біомаса мікроорганізмів – продуцентів. Такими є бактерії та нижчі гриби, проте іноді як продуценти можуть виступати клітини вищих еукаріотів (комах, ссавців, рослин).
Продуцент, його фізіологобіохімічні характеристики та властивості визначають ефективність всього біотехнологічного процесу. У відділенні чистої культури здійснюють зберігання виробничих штамів та забезпечують їх реактивацію та напрацювання продуцента у кількостях, необхідних для початку процесу.
Промисловий штам в ідеалі повинен задовольняти наступним основним вимогам: 1) стабільності структурно-морфологічних ознак та фізіологічної активності та експлуатації у виробництві; 2) підвищеної швидкості росту та біосинтезу цільового(-их) продукту(ів); 3) досить широкому діапазону стійкості до впливу несприятливих зовнішніх факторів (коливання температури, рН, перемішування, в'язкості середовища); 4) помірної вимогливості до обмеженого числа джерел живлення; Чим ширший набір джерел вуглецю, азоту та інших елементів може використовувати виробничий штам, тим легше його культивувати і з більшою вигодою.
При вирощуванні посівних доз інокулята застосовують принцип масштабування, тобто проводять послідовне нарощування біомаси продуцента в колбах, суліях, далі в серії послідовних ферментаторів. Кожен наступний етап цього процесу відрізняється за обсягом попереднього зазвичай на порядок. Отриманий продуцент стерильної посівної лінії направляється далі в апарат, в якому реалізується ферментаційна стадія.
Приготування живильних середовищ здійснюється у спеціальних реакторах, обладнаних мішалками. Залежно від розчинності та сумісності компонентів середовищ можуть бути застосовані окремі реактори. Технологія приготування середовищ значно ускладнюється, якщо до їхнього складу входять нерозчинні компоненти. У різних біотехнологічних процесах застосовуються різні за походженням і кількістю субстрати, тому їх приготування варіюють.
Дозування поживних компонентів підбирається та здійснюється індивідуально на кожному виробництві відповідно до технологічного регламенту конкретного процесу. Як дозувальне обладнання при цьому застосовуютьсявагові та об'ємні пристрої, що використовуються в харчовій та хімічній промисловості. Транспорт речовин здійснюється насосами, стрічковими та шнековими транспортерами. Сипучі компоненти подають ферментатори за допомогою вакуумних насосів.
Нерідко застосовують принцип попередніх сумішей, тобто. солі попередньо розчиняють і потім транспортують трубопроводами, дозуючи їх подачу за обсягом.
З огляду на виняткового розмаїття біотехнологічних процесів і застосовуваних реалізації середовищ, методів і апаратури, розгляд даних елементів далі пов'язані з конкретними біотехнологічними виробництвами.
Ферментація
Стадія ферментації є основною стадією в біотехнологічному процесі, оскільки в її ході відбувається взаємодія продуцента із субстратом та утворення цільових продуктів. Ця стадія здійснюється в біохімічному реакторі (ферментаторі) і може бути організована різними способами в залежності від особливостей використовуваного продуцента та вимог до типу та якості кінцевого продукту.
Ферментація може відбуватися у строго асептичних умовах або без дотримання правил стерильності (так звана "незахищена" ферментація); на рідких та твердих середовищах, анаеробно та аеробно. Аеробна ферментація може протікати, своєю чергою, поверхнево чи глибинно (у всій товщі живильного середовища). Культивування біологічних об'єктів може здійснюватися в періодичному та проточному режимах, напівбезперервно з підживленням субстратом.
У ході періодичної ферментації культура, що вирощується, проходить ряд послідовних стадій: лаг-фазу, експоненційну, уповільнення росту, стаціонарну і відмирання (рис. 2.2). При цьому відбуваються суттєві зміни фізіологічного стану біооб'єкта, а також ряд параметрівсередовища.
Цільові продукти утворюються в експоненціальній (первинні метаболіти - ферменти, амінокислоти, вітаміни, тобто речовини, які потрібні для росту культури клітин) і стаціонарної (вторинні метаболіти - антибіотики, алкалоїди, гормони, токсини - низькомолекулярні речовини, які не потрібні для але необхідні для функціонування зрілої популяції, що часто виконують захисну функцію) фазах, тому в залежності від цілей біотехнологічного процесу в сучасних промислових процесах застосовують принцип диференційованих режимів культивування. У результаті створюються умови максимального виробництва тієї чи іншої цільового продукту.
Безперервна ферментація біооб'єктів здійснюється в умовах режиму, коли мікробна популяція та її продукти найбільш однорідні, тобто в стаціонарній фазі. Застосування безперервних процесів ферментації створює умови для ефективного регулювання та управління процесами біосинтезу. Системи безперервної ферментації можуть бути організовані за принципом повного витіснення або повного змішування.
Перший приклад - так звана тубулярна культура: процес ферментації здійснюється в довгій трубі, в яку з одного кінця безперервно надходять живильне середовище та інокулят, а з іншого - з тією ж швидкістю витікає культуральна рідина та цільові продукти. Дана система проточної ферментації є гетерогенною та реалізується, як правило, без перемішування.
При безперервній ферментації у ферментаторах повного змішування (гомогенно-проточний спосіб) у всій масі ферментаційного апарату створюються однакові умови. Застосування таких систем ферментації дозволяє ефективно керувати окремими стадіями, а також усім біотехнологічним процесом та стабілізуватипродуцент практично в будь-якому необхідному експериментатору або біотехнологу стані.
Забезпечення процесу ферментації з погляду інженерної реалізації зводиться до дозованого надходження до ферментатора потоків (інокулята, повітря або газових сумішей, живильних біогенних елементів, піногасників) та відведення з нього тепла, відпрацьованого повітря, культуральної рідини, а також до вимірювання та стабілізації основних параметрів процесу на рівні, необхідному для оптимального розвитку продуцента та утворення цільового продукту.
У ході ферментації утворюються складні суміші, що містять клітини, позаклітинні метаболіти, залишкові концентрації вихідного субстрату. При цьому цільові продукти зазвичай знаходяться в цій суміші в невеликих концентраціях, а багато з них легко руйнуються. Все це накладає обмеження на методи виділення та сушіння біологічних препаратів.