Что такое биотехнология?

Что такое биотехнология?
Биотехнология - это отрасль, которая занимается получением необходимых
человеку продуктов, веществ и процессов, используя микроорганизмы.
Зарождение биотехнологии связано с производством вина и сыра в глубокой
древности. Разумеется, тогда этот термин ещё не употреблялся. В наши дни уже
не так просто определить границы биотехнологии, потому что она
комбинируется с другими областями науки и техники - молекулярной
биологией, генетикой, генной инженерией, биохимией, химической
технологией и т.д.
Биотехнология вошла в наш быт гораздо глубже, чем можно себе представить.
Она применяется для нужд самых разных отраслей:
1. Пищевая промышленность - производство лимонной кислоты, аминокислот
и других пищевых добавок;
2. Сельское хозяйство - средства защиты растений, модифицированные
продукты;
3. Медицина - антибиотики, интерферон, витамины, вакцины и другие
препараты;
4. Защита окружающей среды - вещества и процессы для устранения
загрязнений;
1
5. Энергетика - биогаз, этанол и другие источники энергии;
6. Химическая промышленность - этилен, ацетон, бутанол и другие вещества
И это далеко не все. Есть разработки, позволяющие размножать всё более
сложные живые клетки. Биотехнология всё время развивается и никто не
рискнёт прогнозировать возможности её прогресса. Темпы развития
биотехнологии уже сейчас достигли такого уровня, что общество обязано его
контролировать.
Биотехнологический процесс обычно состоит из трёх главных стадий:
1. Подготовка питательной среды и культивируемого микроорганизма;
2. Культивирование микроорганизмов в биореакторах (также называемых
ферментаторами) или культивационных установках;
3. Получение готового продукта из культивационной среды. Эта стадия
включает в себя такие операции как выделение, очистка и другие
процессы связанные с получением нужного товарного вида продукта.
Для чего нужен биореактор?
Биореактор - это устройство, в котором создаются необходимые для
размножения микроорганизмов условия. Микроорганизмы бывают разных
размеров, но никогда не более нескольких микрон. При размножении их
количество может достигать миллиона клеток на миллилитр среды. Чтобы
представить себе, как выглядят микроорганизмы, вы можете посмотреть
коллекцию снимков, сделанных при помощи электронного микроскопа:
Микроорганизмы растут в питательной среде, из которой получают всё
необходимое для размножения. Дополнительным компонентом питания может
быть кислород, содержащийся в подаваемом сжатом воздухе. Для успешного
2
размножение микроорганизмов, необходимо точно соблюдать все параметры
процесса, так как микроорганизмы чувствительны к условиям окружающей
среды. Поэтому в биореакторе должны поддерживаться оптимальные условия.
Температура не должна колебаться более чем на 1 °C. Среда должна быть
кислой ровно настолько, насколько это нравится микроорганизмам.
Чем больше количество микроорганизмов, тем больше кислорода и питательной
среды им необходимо. При этом все компоненты питательной среды должны
быть в достаточном количестве. В противном случае микроорганизмы могут
погибнуть или начать синтезировать другие продукты. При этом избыток
кислорода может вызвать интоксикацию или другие нежелательные процессы.
Кроме того, биореактор должен быть надёжно герметизирован, что бы
предотвратить проникновение чужеродных организмов, что может вызвать
заражение и гибель культуры. Поэтому нужно позаботиться о том, чтобы
система была герметична. При необходимости взять пробу, это следует сделать
так, что бы в биореактор не попала инфекция.
Микроорганизмы требовательны к материалам биореактора, в котором
происходит культивация. Для их размножения подходят лишь нержавеющая
сталь, химически стойкое стекло, тефлон и другие химически инертные
материалы. Оцинкованные болты, датчики с латунными частями недопустимы!
До введения микроорганизмов в биореактор, он должен быть вычищен и вымыт.
Оставшиеся нежелательные микроорганизмы должны быть уничтожены, для
чего проводится обычная стерилизация.
Подготовка биореактора к работе
Итак, для культивации микроорганизмов необходимо:
1. Подготовить биореактор для культивации;
2. Стерилизовать его;
3. Подготовить посевной материал - инокулянт.
В ходе подготовки ёмкость биореактора и необходимые подводы реагентов
промываются, внутрь помещаются датчики, подключаются необходимые для
процесса дополнительные устройства - насосы, титровальные установки и т.д.
Биореактор и подводы необходимо стерилизовать, чтобы устранить возможные
источники инфекции. В лабораторных биореакторах, в зависимости от ёмкости
и конструкции, используется один из следующих способов стерилизации:
1. Автоклавирование – помещение биореактора и подводов в автоклав.
2. Стерилизация in-situ – подача пара в рубашку биореактора. При этом
реактор не перемещается, и пар подаётся в рубашку через трёхходовой
клапан.
3. Стерилизация изнутри – в этом случае при помощи внутренних
термоэлементов доводят реактор до температуры стерилизации. При
этом стеклянный сосуд реактора должны быть защищен металлическим
кожухом.
3
Первый способ применяется для стеклянных или стеклометаллических
реакторов ёмкостью до 10 литров, т.к. более крупный реактор трудно поместить
в автоклав.
Второй способ применяется для стеклянных и стеклометаллических реакторов
со стальной рубашкой.
Третий вариант обычно используется в реакторах типа bench-top с мощными
встроенными нагревателями, термостатом или парогенератором, ёмкостью до
20 литров.
Во время стерилизации ёмкость биореактора и подводы должны быть
герметически закрыты, чтобы внутрь не проникли микроорганизмы из
окружающей среды.
Питательную среду можно стерилизовать отдельно и затем стерильно ввести в
реактор, например, при помощи перистальтического насоса. Так же
питательную среду можно стерилизовать и вместе с биореактором.
Процесс культивации микроорганизмов
Процесс культивации микроорганизмов - ферментация - начинается с того
момента, когда заранее подготовленный посевной материал вводится в реактор.
Рост микроорганизмов характеризуется четырьмя временными фазами:
1.
2.
3.
4.
лаг-фаза;
экспоненциальная;
стационарная;
отмирание.
4
Во время лаг-фазы метаболизм клеток направлен на то, чтобы синтезировать
ферменты для размножения в конкретной среде. Длительность лаг-фазы может
быть разной для одной и той же культуры и среды, так как на неё влияет
множество факторов. Например, количество жизнеспособных клеток в
посевном материале.
Экспоненциальная фаза - это период роста, когда происходит деление клеток с
экспоненциальным ростом численности популяции. Этот период ограничен во
времени количеством питательной среды. Рост клеток замедляется из-за
истощения питательной среды или выделения токсичного метаболита.
Рост прекращается и наступает так называемая стационарная фаза. Метаболизм
продолжается и может начаться выделение вторичных метаболитов. Во многих
случаях целью является получение не биомассы, а именно вторичных
метаболитов, так как они могут использоваться для получения ценных
продуктов и препаратов. В этих случаях ферментация целенаправленно
удерживается в стационарной фазе.
При дальнейшем продолжении ферментации клетки постепенно теряют
активность, т.е. отмирают.
По характеру реализации процессы культивирования бывают трёх видов:
1. Периодический;
2. Полупериодический;
3. Непрерывный.
В периодическом процессе реактор заполняется свежей питательной средой,
потом в него вводится посевной материал. По окончании ферментации
содержимое выводится на стадию выделения, реактор моется и стерилизуется, и
всё начинается снова.
В полупериодическом процессе непрерывно или порциями в реактор вводится
свежая питательная среда. Скорость ввода обычно определяется скоростью
роста или биосинтеза. Когда реактор наполняется, его частично или полностью
опорожняют. Процесс завершается или продолжается.
5
В непрерывном процессе культивационная жидкость постоянно выводится из
реактора. Такой процесс может протекать очень долго, и его длительность
обычно определяется производственной необходимостью и техническими
факторами.
Наиболее распространена полупериодическая ферментация, её чаще всего
применяют для биопродуктов. В этом случае устраняются недостатки
периодического процесса путём небольших технических изменений.
Непрерывные процессы чаще всего применяются при производстве
биохимикатов в больших количествах. Эти процессы самые экономичные, но
для их реализации нужны значительные технические преобразования и более
глубокое понимание кинетики данной ферментации.
6