Файл: 696.pdf

Рис.1. Основные продукты биотехнологической промышленности.

Рис.31. Ферментер периодического действия: 1- турбинная трехъярусная мешалка, 2 – охлаждающий змеевик, 3 - секционная рубашка, 4 – отражательная перегородка, 5 – барботер, П-пар; I –XI – материальные и вспомогательные трубопроводы с запорно-регулирующими устройствами (I

– посевная линия, II – подача стерильного сжатого воздуха, III – подача пара, IV – удаление отработанного воздуха, V – загрузочная линия, VI – линия введения добавок, VII – подача пеногасителя, VIII – подача моющего раствора, IX – пробоотборник, X – выдача продукта, XI – выдача в канализацию через нижний спуск).

www.mitht.ru/e-library

продуктом является сама биомасса, в других случаях продукты, синтезируемые клеткой - антибиотики, ферменты, аминокислоты и др. При этом синтезируемый продукт может накапливаться как внутри клеток, так и выделяться в культуральную жидкость.

В том случае, когда культура растет на поверхности жидкой или плотной питательной среды, такой способ культивирования называют поверхностным.

При жидкофазном (глубинном) культивировании, микроорганизмы распределяются по всему объекту жидкой питательной среды, а кислород поступает к клеткам в результате интенсивной аэрации и перемешивания.

Аппараты для глубинного культивирования называют ферментерами (ферментаторами), конструкции их очень разнообразны. На Рис.31 представлен ферментер для периодического культивирования – питательная среда и все компоненты загружаются сразу и до окончания культивирования в ферментер ничего не добавляется и не выводится (кроме воздуха – источника кислорода). Его конструкция обеспечивает стерильность ферментации в течение длительного времени (несколько суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментеры такой конструкции изготавливают объемом от 1,25 до 160,0 м3. Как видно из рисунка, это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим днищем, снабженный аэрирующим, перемешивающим и теплопередающим устройствами. Воздух для аэрации поступает в ферментер через барботер, установленный под нижним ярусом мешалки.

Пустой аппарат тщательно моют, проверяют герметичность стерильность и стерилизуют острым паром. Одновременно стерилизуют все коммуникации. Затем в реактор подают стерильную питательную среду, вносят посевной материал, включают систему аэрации и перемешивающее устройство.

84

3.БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

3.1.КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ

ОРГАНИЗМОВ

Классификация живых организмов (распределение единиц по группам более высокого порядка) осуществляется по иерархической схеме. Организмы объединяют в группы разного ранга – таксоны – группы организмов, обладающих заданной степенью однородности. Низшей единицей является вид, виды объединяются в роды, далее – семейства, отряды, классы, типы, царства, надцарства (таксоны наивысшего ранга). Разделение живых организмов по царствам и надцарствам основано на наличии у них ядра и клеточного строения (Рис.2). Выделено три надцарства: акариоты (безъядерные, клеточное строение отсутствует), прокариоты (доядерные, присутствует предшественник ядра – нуклеоид, клеточное строение) и эукариоты (ядерные, клеточное строение).

Рис.2. Классификация живых организмов по царствам и надцарствам.

В систематике (систематика – наука о многообразии и взаимосвязях между организмами)

используют биномиальную номенклатуру К. Линнея:

биологическому виду присваивают название на латинском языке, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе

— виду. Пример – кишечная палочка Escherichia coli (обитает в кишечнике человека и животных), родовое

9

название можно сократить до первой буквы – E. coli. В микробиологии используют термин «штамм», объединяющие культуры вирусов, бактерий и других микроорганизмов и линий клеток растений и животных одного вида, выделенные из разных источников (мест обитания). Различия между штаммами не выходят за пределы вида. В мире не существует общепризнанной номенклатуры названия штаммов, и используемые названия достаточно произвольны. Как правило, они состоят из отдельных букв и цифр, которые записываются после видового названия. Например, один из самых известных штаммов кишечной палочки – E. coli K-12.

Представители всех царств используются в биотехнологии, являются биологическими объектами. Традиционная биотехнология базировалась на использовании микроорганизмов. Микроорганизмы – это биологические объекты микроскопического размера, невидимые невооруженным глазом. Термин «микроорганизмы» не имеет таксономического значения, представители микромира есть во всех царствах. Вирусы, бактерии и грибы – все являются микроорганизмами, в царстве растений микроорганизмами являются водоросли, а в царстве животных – простейшие. Основным преимуществом микроорганизмов является их быстрый рост, связанный с высоким отношением поверхности клетки к объему, т.е. с высокой скоростью взаимодействия с внешней средой.

Отличительной особенностью микроорганизмов является способность к быстрому размножению. Например, время удвоения клеток кишечной палочки Escherichia coli составляет 20 мин. Подсчитано, что потомство одной клетки в случае неограниченного роста уже через 48 ч превысило бы массу Земли в 150 раз.

Современная биотехнология все чаще рассматривает в качестве биологических объектов не

10

герметизация аппаратов, коммуникаций, арматуры. Основным методом очистки и стерилизации воздуха, огромные объемы которого используют в процессе ферментации, является пропускание через фильтры – стерилизующая фильтрация. Для стерилизации жидких питательных сред и оборудования чаще применяют термическую стерилизацию. Большие перспективы для стерилизации жидких питательных сред имеет микрофильтрация. Также применяют химическую деконтаминацию и ионизирующее излучение, когда другие методы не могут быть использованы.

Для стерилизации оборудования применяют

термическую стерилизацию паром под давлением 1 ати

(121оС).

Подготовка инокулята

Для сокращения лаг-фазы (непродуктивной фазы задержки роста, см. раздел 3.3.3) количество посевного материала, передаваемого в основной ферментер, может варьировать в разных производствах от 5 до 20% объема среды культивирования в нем. Накопление производственной культуры проводят за 2 - 6 этапов. Для этого используется ряд так называемых посевных аппаратов, рабочий объем которых каждый раз увеличивается, как правило, в 10 раз. Размер посевных аппаратов для разных производств различен и может варьировать от 10 л до 50 м3

Ферментация

Культивирование (ферментация) является основной стадией биотехнологического процесса и во многом определяет количественные и качественные характеристики производства продуктов. На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микроорганизмов. Иногда, например, при производстве бактериальных препаратов, целевым

83

потребности микроорганизмов в источниках питания и основные особенности их обмена веществ. В большинстве случаев синтетические среды готовят на водопроводной воде и микроэлементы не добавляют.

По физическому состоянию различают: жидкие, плотные, сыпучие среды.

Жидкие среды широко применяют в биотехнологии для культивирования продуцентов.

Плотные среды используют для выделения чистых культур (получение изолированных колоний) для хранения культур, количественного учета микроорганизмов. Для уплотнения сред применяют агар-агар, желатину и кремнекислый гель. Агар-агар - сложный полисахарид, получаемый из морских водорослей. Агар-агар удобен тем, что большинство микроорганизмов не использует его в качестве питательного субстрата. В воде агар-агар образует гели которые плавятся при 1000С, а затвердевает при 400С. Поэтому на агаризованных средах можно культивировать микроорганизмы при любой подходящей для их роста температуре.

Сыпучие среды применяют в промышленной микробиологии. К ним относятся: отруби, кварцевый песок, разваренное пшено.

Стерилизация питательных сред, оборудования и воздуха

Стерилизация всех компонентов биотехнологического процесса, соприкасающимися с чистыми культурами микроорганизмов – важнейший этап. Под стерилизацией понимают полное удаление жизнеспособных организмов, что достигается двумя группами методов. Первая группа основана на воздействии летальных факторов – высокой температуры, ионизирующего излучения, химических веществ, вторая – на механическом отделении посторонних микроорганизмов (контаминантов) – стерилизующая фильтрация,

82

только микроорганизмы, но и клетки (ткани) растений, животных и человека и их метаболиты, в частности биополимеры.

Биологические объекты продуцируют (производят) важные целевые продукты (все их разнообразие представлено на Рис.1), поэтому их называют продуцентами, наиболее важными из которых в настоящее время являются бактерии и грибы.

Известно множество способов классификации живых организмов по различным признакам. Для промышленной биотехнологии наиболее важной является классификация по способам питания (по трофике) (Табл.1), поскольку вклад исходных продуктов (субстратов) в цену производимых продуктов в биотехнологии является определяющим.

С позиций сегодняшней экономики наиболее рентабельны продуценты, использующие в качестве источников энергии, углерода и доноров электронов соответственно свет и неорганические вещества, т.е. – фотолитоавтотрофы. К этой подгруппе относятся растения и бактерии, например цианобактерии – значительная группа крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода, и азотфиксации. Рассматривается возможное применение цианобактерий, в частности спирулины, в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения, а также как массовой кормовой или пищевой добавки. К фотоорганогетеротрофам относятся зеленые бактерии (хлоробактерии) – фотосинтетические анаэробные организмы, способны жить в отсутствии атмосферного кислорода. К хемолитоавтотрофам относятся аэробные тиобациллы рода Thiobacillus, они окисляют сульфиды, серу и некоторые из них железо(II), используя углекислый газ в качестве источника углерода. Эти бактерии осуществляют бактериальное выщелачивание металлов из

11