Элементы, слагающие биотехнологические процессы

24 Декабря в 21:25 3331 0


Основными элементами, слагающими биотехнологические процессы, являются биологический агент, субстрат, аппаратура и продукт.

Биологический агент

Биологический агент является активным началом в биологических процессах и одним из наиболее важных из элементов. Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект - микробная клетка. Микробные клетки могут быть выделены из природных источников и далее существенно модифицированы и улучшены с помощью традиционных (селекции, отбора) и новейших (клеточной и генетической инженерии) методов. При выборе биологического агента и постановке его на производство прежде всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов.

Это значит, что микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиологобиохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации. Промышленные продуценты также должны обладать устойчивостью к мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой, характеризоваться безвредностью для людей и окружающей среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продуктов обмена и отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-экономические показатели.

В настоящее время многие промышленные микробные технологии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем решающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстремофилы - организмы, развивающиеся в экстремальных условиях (термофильные, алкало- и ацидофильные).

В последние годы расширяется применение смешанных микробных культур и их природных ассоциаций. В такого рода смешанных культурах между микроорганизмами устанавливаются определенные взаимоотношения, основанные на экологических принципах взаимодействия в смешанных популяциях.

Возможны различные типы такого взаимодействия:
• нейтрализм - практическое отсутствие взаимодействия между видами. Пример нейтрализма - рост штаммов Streptococcus и Lactobacillus (входящих в состав закваски при производстве йогурта). При скорости разведения 0,4 час-1 оба вида микроорганизмов растут с одинаковой скоростью, такой же, как в чистых культурах;

• мутуализм - оба штамма быстрее растут в смешанной культуре, чем в соответствующих чистых культурах.

Пример: совместное культивирование штамма Lactobacillus, нуждающегося в фенилаланине, и штамма Streptococcus, нуждающегося в фолиевой кислоте.

На среде, не содержащей ни одного из этих компонентов, чистые культуры обоих штаммов практически не растут. Смешанная культура растет на этой среде хорошо. В данном случае мутуализм представляет собой взаимный обмен ростовыми факторами. Резко выраженный мутуализм, когда один микроорганизм совершенно не может существовать без другого называют симбиозом.

Пример: в свое время была описана «бактерия» Metanobacillus omelianskii, которая при ближайшем рассмотрении оказалась смесью двух видов. Один из них окисляет этанол до ацетата с образованием водорода, но его рост подавляется продуцируемым им же водородом. Второй вид не способен расти на этаноле, но утилизирует водород, превращая его в метан.

Если один вид продуцирует вещества, ускоряющие рост другого вида, говорят, что во взаимоотношениях между этими видами имеет место комменсализм. Противоположен комменсализму аменсализм, когда один вид продуцирует вещество, подавляющее рост второго вида.

По сравнению с монокультурами микробные ассоциации способны потреблять сложные, неоднородные по составу субстраты, минерализуют сложные органические соединения, имея повышенную способность к биотрансформации, имеют повышенную устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и токсических веществ, а также повышенную продуктивность и возможность обмена генетической информацией между отдельными видами сообщества. Основные области применения смешанных культур - производство пищевых продуктов, охрана окружающей среды, биодеградация и усвоение сложных субстратов.

Особая группа биологических агентов в биотехнологии - ферменты, катализаторы биологического происхождения. Ферменты находят все большее применение в медицине, пищевой промышленности и т. д.

До 60-х гг. это направление сдерживалось трудностями их получения, неустойчивостью, высокой стоимостью. Как отдельную отрасль в создании и использовании новых биологических агентов следует выделить иммобилизованные ферменты: преимущество - стабильность и повышенная активность, удержание в объеме реактора, возможность полного быстрого отделения продуктов ферментации с многократным использованием биологического агента.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов - трансгенных клеток микроорганизмов, растений, животных - генно-инженерными методами.

Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов (изотопы, антитела и др.) Разрабатываются подходы к конструированию ферментов с заданными свойствами, имеющих повышенную реакционную активность и стабильность.


Таким образом, в биотехнологических процессах возможно использование различных биологических агентов с разным уровнем организации - от клеточной до молекулярной.

Субстраты и среды

Используемые в биотехнологии субстраты разнообразны и их спектр непрерывно расширяется. С развитием промышленных процессов происходит накопление новых видов отходов, которые могут быть обезврежены и превращены в полезные продукты методами биотехнологии. В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к природным возобновляемым ресурсам - продуктам фотосинтеза, биоресурсам мирового океана.

В состав сред для биотехнологических процессов входят источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые факторы.

Наиболее распространенными источниками углерода при культивировании микроорганизмов являются углеводы (чистые и углеводсодержащее сырье), спирты, органические кислоты, углеводороды. Довольно часто в качестве источников углеродного питания используют технические виды углеродсодержащего сырья: мелассу, соки растений, патоку, крахмал, сульфитный щелок, барду (продукт переработки спирта), целлюлозу, гидролизаты полисахаридов и древесины. Все эти технические источники углерода чаще всего представляют сложные многокомпонентные смеси различных веществ и служат не только источниками углерода, но и других (необходимых для роста культуры микроорганизмов) химических элементов.

Минеральные элементы, необходимые для роста биологических агентов и входящие в состав питательных сред, подразделяются на макро- и микроэлементы. Среди макроэлементов на первом месте стоит азот, так как потребность в нем у биологических объектов на порядок выше, чем в других элементах (фосфоре, сере, калии и др.). Азот необходим микроорганизмам для обеспечения синтеза нуклеиновых кислот, белков и полимеров клеточной стенки. Источники азота, используемые в промышленном культивировании микроорганизмов также разнообразны. Среди них могут быть простые (аммиак и соли аммония, мочевина), и сложные (кукурузный экстракт, соевая мука, рыбная мука, дрожжевой экстракт и др).

Однозначного предпочтения простым или сложным источникам азота отдать нельзя: простые позволяют точно контролировать состав питательной среды и точно задавать содержание в ней азота. Сложные источники азота лучше усваиваются микроорганизмами, но наличие в них неутилизируемых микробной культурой компонентов осложняет дальнейшие стадии технологического процесса и повышает количество отходов, что отрицательно сказывается на экономических показателях технологии.

Минеральные элементы необходимы для роста любого биологического агента, но их концентрация в среде, в зависимости от биообъекта и задач биотехнологического процесса, различна. Обычно она составляет 10-3-10-4 М.

Потребности в микроэлементах невелики, и их концентрация составляет 10-6-10-8 М, поэтому микроэлементы часто специально не вносят в среду, так как их примеси в основных солях и воде обеспечивают потребности продуцентов.

Отдельные продуценты нуждаются для роста в наличии в среде ростовых факторов (аминокислот, витаминов и пр.).

Помимо чистых индивидуальных веществ такой природы на практике часто используют в качестве ростовых добавок кукурузный или дрожжевой экстракт, картофельный сок, экстракт проростков ячменя, зерновых отходов и отходов молочной промышленности. Добавление ростовых факторов способно увеличить выход целевого продукта в десятки раз.

Все указанные выше компоненты питательной среды существенны для культивирования микроорганизмов и эукариотических клеток - иначе их называют биохимическими факторами роста. Существуют также и биофизические факторы роста, к которым относят физические условия, обеспечивающие нормальный рост культуры: это температура культивирования и интенсивность перемешивания, обеспечивающий необходимый массообмен в культуре. Различные продуценты имеют определенный диапазон температур, при которых их рост происходит наиболее эффективно.

Однако следует иметь в виду, что оптимальная для роста культуры температура не всегда совпадает с таковой для накопления целевого продукта. Большинство используемых в биотехнологии продуцентов требуют температуры ~ 37 С (мезофильные микроорганизмы), известны термофильные микроорганизмы, оптимум роста которых находится в диапазоне 70-90 С, а иногда и выше (>100 С - экстремальные термофилы).

Перемешивание культуры также является важным фактором роста, потому что микробная клетка для своего развития потребляет питательные вещества, в связи с этим вокруг клетки постепенно образуется пространство с пониженной концентрацией этих веществ, так что возникает градиент концентрации питательных веществ. Со временем этот градиент начинает лимитировать рост клетки и всей культуры. Наиболее эффективным способом преодоления возникающих проблем является обеспечение эффективного массообмена в культуре, что и достигается путем перемешивания.

Традиционно состав питательной среды, оптимальной для каждого биотехнологического процесса, определяется методом длительного эмпирического подбора, но в последние 20 - 25 лет все шире используется математический метод планирования экспериментов, математическое моделирование биотехнологических процессов - это позволяет обоснованно подходить к конструированию питательных сред, сделать их экономичными.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы