При ферментационной технологии можно использовать цельные
живые клетки (микробов, клетки животных и растений) или какие-нибудь
клеточные компоненты (например, ферменты) с целью физических или
химических преобразований органических веществ. Однако недостаточно
получать требуемые изменения веществ, метод должен иметь
преимущества перед другими, применяемыми в настоящее время,
технологиями производства этих же самых продуктов.
Преимущества
производства
органических
продуктов
биотехнологическими способами перед чисто химическими методами
достаточно многогранны:
• многие сложные органические молекулы, такие, как белки и
антибиотики, не могут практически быть синтезированы
химическими способами;
• биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого
продукта;
• биологические системы функционируют при более низких
температурах, менее высоких значениях рН (близких к нейтральному)
и т. п.;
• каталитические биологические реакции намного специфичнее, чем
|
|
реакции химического катализа;
• биологические процессы обеспечивают почти исключительно
продукцию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это
часто бывает в реакциях химического синтеза.
Но вместе с тем биологические способы в сравнении с химическими
методами обладают рядом явных недостатков:
1. Биологические системы могут легко быть загрязнены посторонней
нежелательной микрофлорой.
2. Целевой продукт, синтезируемый биологическим способом,
присутствует в довольно сложной смеси, что обусловливает
необходимость разделения его от примеси ненужных веществ.
3. Биотехнологические производства требуют больших количеств
воды, которую в итоге необходимо удалять, сбрасывая в
окружающую среду.
4. Биопроцессы обычно идут медленнее в сравнении со стандартными
химическими процессами.
Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана
подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и
тщательно
контролироваться.
Для
большинства
практических
биотехнологических процессов такими системами являются ферменторы
или биореакторы, которые обеспечивают необходимые физические
условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со
средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых
сосудов до весьма сложных систем с различным уровнем компьютерного
оснащения.
Биореакторы изготавливаются в двух вариантах или типах. Первый
тип для нестерильных систем, когда нет абсолютной необходимости
оперировать с чистыми культурами микроорганизмов (например,
|
|
ферментация при пивоварении, производство пекарских дрожжей и т. п.).
Биореакторы второго типа предназначены для асептических процессов,
обычно используемых в производстве таких соединений как,
антибиотики,
аминокислоты,
полисахариды
и
одноклеточный
бактериальный белок. В реакторах такого типа все посторонние
микроорганизмы должны быть исключены, что, естественно, связано со
значительными сложностями при их конструировании и разработке
самого биотехнологического процесса.
Основное требование к биореакторам любого типа сводится к
обеспечению оптимальных условий роста продуцента или накоплению
синтезируемого им продукта. Для достижения указанных целей
необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать
процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор
питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям
организма-продуцента, из ростовой среды должны быть удалены
соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, должна быть
подобрана соответствующая посевная доза и, наконец, обеспечены все
остальные требуемые физико-химические условия. Экономически
рентабельные процессы в своей основе весьма сходны, независимо от
избранного продуцента, используемой среды и образуемого продукта.
Главная задача – получение максимального количества клеток с
одинаковыми свойствами при их выращивании в определенных
тщательно контролируемых условиях. Фактически один и тот же
биореактор (лишь с небольшими изменениями) может быть использован
для производства ферментов, антибиотиков, органических кислот или
одноклеточного белка.