Постферментационная стадия

Постферментационная стадия обеспечивает получение гото­вой товарной продукции и также обезвреживание отходов и побочных продуктов. Культуральная жидкость, образующаяся в процессе фермен­тации, представляет собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха. В свою очередь, водная фаза культуральной жидкости (нативный раствор) включает большое количество органиче­ских и неорганических веществ, коллоидных фракций белков, сухой остаток культуральной жидкости - до 17 % и более, содержание био­массы в культуральной жидкости достигает 8-10 %. Концентрация це­левого продукта чаще всего не превышает 1,5 %, что составляет менее 10 % сухого остатка.

В зависимости от целевого назначения конечного продукта (для здравоохранения, технических целей, сельского хозяйства и т. д.), лока­лизации конечного продукта (клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппа­ратуру, методы выделения и очистки (рис. 3.3). Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.

Культуральная жидкость Рис. 3.3. Возможные способы выделения целевого продукта

Первым этапом постферментационной стадии является фракцио­нирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы - биомассы. Наиболее распространенный метод для этих целей - сепара­ция, осуществляемая в специальных аппаратах - сепараторах, которые работают по различным схемам, в зависимости от свойств обрабатыва­емой культуральной жидкости. Основные проблемы возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц размером 0,5-1,0 мкм и менее (бактериальные клетки) и переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка). Для повышения эффектив­ности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры - изменение pH, нагревание, добавление химиче­ских агентов.

Фракционирование экстрактов биомассы

Полученные с помощью биосинтеза (ферментации) продукты все­гда оказываются в сложной смеси с другими продуктами жизнедеятель­ности той же биосинтетической системы, будь то культура клеток мик­робов, клеток животных или растений или даже целый организм. Важ­нейшей задачей биотехнологии является очистка целевого продукта из этой сложной смеси. Целевой продукт может находиться либо внутри клетки, либо вне ее - в культуральной жидкости. Отделяя клеточную массу от культуральной жидкости, мы частично обогащаем целевой продукт, удаляя из содержащей его смеси соответствующие компонен­ты - внеклеточные или внутриклеточные соответственно. Однако слож­ность смеси, в которой оказывается продукт, остается все еще высокой. В случае если он находится внутри клеток, последние необходимо раз­рушить, после чего мы переходим к фракционированию многокомпо­нентного раствора; если же мы имеем дело с внеклеточным продуктом, то сразу можем приступать к фракционированию раствора, что, по сути, является первым этапом очистки целевого продукта. Эта задача являет­ся фактической задачей на разделение суспензии и имеет несколько ва­риантов инженерного решения.

Разделение суспензий. Одним из способов разделения суспензий является седиментация - разделение культуры как дисперсной системы на дисперсную фазу и дисперсионную среду (в нашем случае - клетки продуцента и культуральную жидкость). Разделение фаз в простейшем случае может быть достигнуто длительным отстаиванием, в процессе которого клетки продуцента, отличающиеся по плотности от культу- ральной жидкости, рано или поздно либо выпадут в осадок, либо всплывут. Однако при осуществлении биотехнологических процессов образуются системы, в которых дисперсная фаза состоит из мелких ча­стиц, мало отличающихся по плотности от дисперсионной среды. Кроме того, поскольку мы имеем дело с живой системой, в которой продол­жаются биохимические системы, возможно понижение концентрации целевого продукта за счет деградации его клеточными ферментами. Все это приводит к необходимости ускорить процесс разделения системы. Для этого используют центрифуги (центрифугирование). С их помощью можно решить следующие технологические задачи:

- разделение суспензии на осадок и раствор;

- разделение эмульсий на две жидкие фазы различной плотности.

Центрифуги используют как в лабораториях, так и в промышлен­ном производстве. Лабораторные центрифуги представляют собой ап­параты периодического действия, в которые загружается определенное количество разделяемой смеси, производят в заданных условиях про­цесс разделения, останавливают и выгружают жидкую фазу и осадок. В промышленности чаще применяют центрифуги непрерывного действия, позволяющие перерабатывать за один цикл объемы разделяемой смеси, значительно превышающие вместимость ротора.

Скорость осаждения можно регулировать путем подбора соотно­шения плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Одним из вариантов использования этого принципа является центрифугирование в градиенте плотности растворителя. Для этого в состав растворителя вводят компонент, дающий растворы высокой плотности. Чаще всего используются сахароза, некоторые специальные полимеры (фиколл - сополимер сахарозы и эпихлоргидрина, перколл - коллоидные частицы силикагеля, покрытые поливинилпирролидоном) или растворы солей (CsCl, Cs₂SO₄, CsI и другие соли цезия).

Другие способы разделения суспензий. Клетки микроорганизмов можно просто отфильтровать от культуральной жидкости, что и ис­пользуется при стерилизации питательных сред. Но если при стерили­зации требования к содержанию микробных клеток в фильтрате очень высоки, то при отделении клеток от культуральной жидкости, после вы­ращивания микробной культуры, эти требования гораздо ниже. Эти об­стоятельства позволяют использовать при фильтрационном разделении технологической культуры материалы более грубые по размерам пор, но обладающие высокой механической прочностью и пропускной спо­собностью. К такого рода материалам относится, в частности, ткань Петрянова (по имени советского ученого-химика). Для осуществления фильтрации применяется специальная аппаратура - вакуумные фильтры барабанного типа, фильтр-прессы, на которых фильтрация идет под давлением. Существуют также фильтрующие центрифуги, в которых центробежная сила используется для продавливания жидкости через слой фильтрующего материала.

В некоторых случаях при разделении микробных суспензий ис­пользуют технику флотации, когда в культуру добавляют относительно небольшое количество несмешивающейся с водой жидкости в мелко раздробленном состоянии. На поверхности раздела капелек этой жидко­сти и воды сорбируются клетки культуры, и после расслаивания эмуль­сии микробную массу удается сконцентрировать.

Разрушение клеточной массы (дезинтеграция)

Для извлечения целевых продуктов, находящихся внутри клетки микроорганизма или при получении продуктов из тканей животных или растений, необходимо прежде всего разрушить их или осуществить процедуру дезинтеграции.

Дезинтеграция клеточной массы представляет собой один из важ­нейших элементов биотехнологического процесса. Эту процедуру осу­ществляют физическими, химическими или ферментативными метода­ми.

Наиболее распространенными в промышленности являются физи­ческие методы, среди которых чаще всего применяют баллистические методы дезинтеграции. Сущность этой группы методов состоит в том, что биомассу подвергают воздействию удара или истирания. В первом случае биомассу помещают в цилиндрический барабан, вращающийся вокруг оси и наполненный шариками из тяжелого твердого материала (металл или фарфор). При вращении барабана шарики перекатываются и ударяют по агломератам биомассы, причем удары происходят доста­точно часто и в разных направлениях. Это приводит к разрушению кле­точных стенок и получению однородного вязкого раствора, в котором находится содержимое клеток. Однако следует учитывать, что в ходе такой обработки содержимое барабана существенно нагревается от со­ударений. Учитывая термолабильность компонентов клетки, это тепло необходимо удалять, что достигается введением в конструкцию дезин­тегратора теплоотводящих элементов. Обычно это рубашка (кожух, в который помещают барабан), через которую пропускают холодную во­ду или другой хладоагент. Степень дезинтеграции (доля разрушенных клеток) за один цикл составляет 52-85 %, в зависимости от вида под­вергаемой обработке биомассы.

Ход дезинтеграции можно описать уравнением

100 K

lg---------- = —,

100 - A f

где А - степень дезинтеграции, %, К - константа скорости дезин­теграции, f-объемная скорость, л/час.

Другим способом механической дезинтеграции клеток является экструзия. Сущность этого метода заключается в том, что суспензию клеточной массы под высоким давлением продавливают через узкое от­верстие в камеру с нормальным давлением. При этом из-за большого перепада давления вода, которая попала в клетки, быстро выходит из них и при этом разрушает клеточную стенку. Кроме этого происходит разогрев и также необходимо охлаждение во избежание потерь продук­та из-за термоинактивации. Степень разрушения клеток при таком спо­собе составляет до 90 %.

Ультразвуковая дезинтеграция. Помимо механических способов используются приемы, основанные на воздействии на клетки ультразву­ка. Под действием ультразвукового поля клетки испытывают попере­менные сжатия и растяжения, скручивание в различных направлениях, что, в конце концов, приводит к разрыву клеточной стенки и ее разру­шение.

Как и в случае баллистических методов, операция дезинтеграции с помощью ультразвука может осуществляться как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Для этой цели сконструированы специ­альные ячейки, позволяющие прокачивать суспензию разрушаемой биомассы со скоростью нескольких литров в минуту при концентрации клеток в суспензии до 20 % и поддерживать при этом температуру 2-4 ^оС. Для более полного разрушения биомассу можно возвращать в цикл.

Химические методы разрушения клеток. Как различные методы механической дезинтеграции, так и ультразвуковая дезинтеграция био­массы основаны на использовании механического разрыва клеточной оболочки - либо ее абразивное разрушение, либо разрыв ее за счет ос­мотических сил.

В ряде случаев более удобным оказывается разрушение клеточной оболочки за счет перевода в раствор отдельных ее компонентов, т. е. изменения ее состава и структуры, что делает ее более проницательной для клеточного содержимого.

Одним из таких методов является детергентный лизис клеток. Биомасса продуцента в этом случае обрабатывается каким-либо из де­тергентов, который растворяет липидные компоненты клеточной стен­ки, после чего внутриклеточные компоненты через образовавшиеся по­ры вытекают в окружающую среду.

Фракционирование экстрактов биоматериалов

Существует несколько подходов к фракционированию смесей. Один из низ - неспецифический, когда, располагая ограниченной ин­формацией о свойствах продукта, мы проводим его через ряд последо­вательных стадий технологического процесса в надежде, что на каждой из этих стадий удастся реализовать какие-либо различия в свойствах целевого продукта и сопутствующих ему веществ. В принципе, можно утверждать, что всегда найдется такая комбинация приемов фракциони­рования, которая позволит получить целевой продукт в достаточно очищенном состоянии, однако, следует иметь в виду, что каждая техно­логическая стадия сопровождается неизбежными потерями продукта, и если число таких стадий будет велико, то выход конечного продукта окажется низким, что приведет к его удорожанию и снижению эконо­мических показателей процесса.

Второй подход основан на большем объеме информации о про­дукте и, следовательно, на подборе специфических для него приемов фракционирования. Таким путем можно сократить затраты на процесс производства, повысить выход продукта и экономичность технологии, но это потребует больших затрат на разработку процесса.

Основные принципы фракционирования сложных смесей удобно рассмотреть на неспецифических процедурах.

Солевое фракционирование

Этот тип фракционирования основан на различии растворимости продукта в солевых растворах различной концентрации. Обычно для этих целей применяют сульфаты, фосфаты натрия, калия и аммония. К суспензии биомассы добавляют 10 %-й раствор сульфата аммония, при этом наименее растворимые побочные продукты (обычно белки) выпа­дают в осадок, их отделяют центрифугированием и добавляют следую­щую порцию сульфата аммония 20 %-й концентрации, после чего полу­чают второй осадок, т. е. продолжая эту процедуру получают ряд фрак­ций, в которых содержание целевого продукта значительно выше, чем в других фракциях.

Точно таким же образом можно фракционировать суспензии до­бавлением органических растворителей, постепенно увеличивая их концентрацию. Чаще всего в качестве осадителей используют этанол и ацетон. Можно также применять метанол, изопропанол, диоксан, этила- цетат и др., однако при использовании органических растворителей ста­новится крайне важным соблюдение норм техники безопасности и по­жарной безопасности, так как органические растворители токсичны и горючи. Это требует использования оборудования во взрывозащищен- ном исполнении, эффективной вентиляции и применения средств инди­видуальной защиты.

Осаждение продуктов органическими полимерами

Помимо солей и органических растворителей агрегацию белков в растворах вызывают и ряд нейтральных высокомолекулярных соедине­ний. Однако растворы полимеров обычно имеют повышенную вязкость, поэтому для целей фракционирования используют полимеры, образую­щие растворы с минимальной вязкостью. Среди таковых наиболее удобными оказались полиэтиленгликоли (М.м. 4000-6000). Растворы полиэтиленгликоля с молекулярной массой 6000 имеют небольшую вязкость, вплоть до концентрации 20 вес %.

Полиэтиленгликоль, в частности, используется для фракциониро­вания плазмы крови. Первым из плазмы крови при добавлении поли- этиленгликоля выпадает фибриноген - крупный белок с ассиметриче- скими молекулами; далее осаждаются гамма-глобулины и другие ком­поненты.

В случае полимеров определенные проблемы возникают при их отделении от целевых белков. Обычно это осуществляется с помощью гель-фильтрации на молекулярных ситах типа Сефадекс и т. п. либо пу­тем осаждения белка из раствора солью так, чтобы полимер при этом остался в растворе. Полиэтиленгликоль солевому осаждению практиче­ски не препятствует.

Тонкая очистка продуктов биотехнологического процесса

Рассмотренными методами можно получить относительно грубо очищенные препараты со степенью очистки целевого продукта 5-10. Для многих целей такой очистки оказывается достаточно и этим следует пользоваться, так как простые по технологии процедуры с использова­нием дешевых реагентов приводят к получению препаратов с низкой себестоимостью.

Однако иногда возникает необходимость получения высокоочи- щенных препаратов (например, получение продуктов для применения в медицине в качестве лекарственных или диагностических средств, а также для исследовательских целей в области молекулярной биологии, биохимии, биоорганической химии и т. д.).

При разработке процессов получения высокоочищенных биопре­паратов используются процедуры тонкой очистки, большая часть кото­рых заимствована из лабораторной практики. Здесь, однако, нужно об­ратить внимание на следующее: лабораторные процессы получения вы- сокоочищенных препаратов разрабатывались для получения одного це­левого продукта без учета возможностей использования экстракта био­массы для извлечения других полезных продуктов. Таким образом, раз­работка технологического процесса получения целевого продукта в вы- сокоочищенном состоянии в настоящее время чаще всего осуществля­ется путем случайного подбора процедур фракционирования. Какой- либо обобщенной концепции конструирования такого рода технологи­ческих процессов в настоящее время не существует.

На рис. 3.4 представлено условное отображение типичной проце­дуры очистки продукта в обобщенных координатах: логарифм степени очистки (lg p) - порядковый номер технологической стадии.

Процесс может быть разделен условно на три фазы: стадии 1 и 2 - грубое фракционирование, стадии 3 и 4 - основная очистка, стадия 5 - финишная очистка.

Грубое фракционирование обычно включает разрушение клеточ­ной массы и отделение целевого продукта (например, белка) от осталь­ных компонентов экстракта (нуклеиновых кислот, полисахаридов, липи- дов). Цель этих процедур - облегчение последующего фракционирова­ния. Как правило, на этой фазе технологического процесса значительно­го обогащения целевого продукта не достигается.

Вторая фаза очистки обеспечивает отделение целевого продукта от основной массы компонентов той же природы (в нашем случае - бел­ков). Здесь используются наиболее существенные отличия в физико- химических свойствах целевого продукта от остальных белковых ком­понентов разделяемой смеси. За счет этих различий и достигается очистка.

На последней фазе, в которую вступает зачастую почти индивиду­альный в химическом смысле целевой продукт, осуществляется его от­деление от микропримесей других компонентов, близких по свойствам к целевому продукту. Очевидно, что и на этой стадии существенного обо­гащения продукта также не достигается, однако очень часто процедуры, используемые на этом этапе процесса самым существенным образом сказываются на качестве продукта.

Специфичность стадий технологического процесса

Проанализируем вторую фазу процесса - фазу основной очистки. Обычно на этом этапе используются в различных комбинациях одни и те же основные приемы фракционирования биологических экстрактов: фракционное разделение, хроматографическое разделение, препаратив­ный электрофорез и т. д.

В реальных процедурах очистки выход высокоочищенного про­дукта обычно невысок и редко превышает 20 % от его содержания в ис­ходной биомассе. Процессы являются многостадийными. Легко подсчи­тать, что даже при выходе целевого продукта на каждой стадии ~80 % (что является довольно высоким показателем), при последовательном применении таких шести стадий общий выход выделяемого продукта составит 25 %.

Трудоемкость и относительно большое число стадий обусловлено их низкой эффективностью.

Для характеристики эффективности стадии фракционирования используется количественный показатель - коэффициент специфично­сти технологической стадии. Его определяют как степень обогащения целевого продукта на данной стадии:

Pi '

где p_i+1 и pj - степень очистки продукта на (i+1) стадии и i-стадии соот­ветственно.

Можно условиться, какую специфичность считать высокой, а ка­кую - низкой. Учитывая, что большинство процедур разработано для очистки ферментов, проведем рассуждения в применении к этим про­дуктам.

Содержание фермента в клетке обычно составляет 0,1 - 1 % от общего содержания белкового материала, следовательно, для получения индивидуального фермента его необходимо обогатить в 100-1000 раз по сравнению с исходным клеточным экстрактом. Процедуру считают удо­влетворительной, если требуемая степень очистки достигается за три стадии фракционирования. При этом необходимо, чтобы коэффициент специфичности каждой из этих стадий был более пяти. Именно такие стадии считаются специфичными. Понятно, что использование в техно­логическом процессе лишь специфических стадий приведет к снижению трудоемкости процесса, сокращению потерь продукта и в целом к по­вышению эффективности технологии и снижению себестоимости про­дукта.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по различным методическим приемам фракционирования кле­точных экстрактов, среди них значительное число специфичных стадий фракционирования. В процессах тонкой очистки целевых продуктов специфические стадии фракционирования используются весьма широ­ко. Наиболее распространенным вариантом является хроматография.

Основные приемы осуществления хроматографического про­цесса

Для хроматографического разделения смесей веществ использу­ются различные технологические приемы, основанные на разных прин­ципах взаимодействия компонентов разделяемой смеси с хроматогра- фическими материалами (сорбентами). Наиболее часто используются:

- ионообменная хроматография (сорбент представляет собой твердый носитель, содержащий ионизируемые в водных растворах функциональные группы, с которыми связываются компоненты разде­ляемой смеси);

- адсорбционная хроматография (сорбент представляет собой твердый носитель, на котором происходит обратимая сорбция компо­нентов разделяемой смеси за счет дисперсионного взаимодействия их с поверхностью твердой фазы. Разделение осуществляется за счет разли­чия в константах равновесия связывания компонентов смеси с поверх­ностью сорбента);

- хроматография на молекулярных ситах (гель-проникающая хроматография, гель-фильтрация); сорбент представляет собой гранулы геля, имеющий поры определенного размера, в которые могут прони­кать молекулы компонентов с размером ниже размера пор и не могут проникать молекулы с большим размеров пор. Разделение достигается за счет разной скорости перемещения частиц с разными размерами мо­лекул, при этом частицы большего размера движутся с большей скоро­стью. Такой вид хроматографии широко применяется при фракциони­ровании компонентов клеточных экстрактов, и во многих случаях ко­эффициент специфичности этой процедуры высок. Однако для направ­ленного применения гель-фильтрации в биотехнологии опять-таки необходимо располагать дополнительной информацией о размерах ча­стиц целевого продукта;

- афинная хроматография (сорбент представляет собой твердый носитель, к которому химически присоединены функциональные груп­пы, избирательно связывающие какой-либо из компонентов разделяе­мой смеси (по принципу «замка-ключа»); остальные компоненты рас­твора не взаимодействуют с носителем, а свободно выходят из колонки. Обычно к инертному носителю прикрепляют субстраты или ингибито­ры ферментов. Например, для белка плазминогена субстратом является аминокислота лизин (см. рис. 3.5,а)- ее и закрепляют на твердом носи­теле. Через колонку пропускают сыворотку крови, и только плазмино- ген на ней закрепляется, а все остальные белки свободно проходят по колонке. Затем плазминоген смывают с колонки, используя аминока-

Рис. 3.5. Афинная хроматография

После завершения очистки биотехнологических продуктов произ­водят их обезвоживание и стабилизацию. Это необходимо для увеличе­ния их сроков годности.

На эти заключительные стадии продукт поступает в виде более или менее разбавленного раствора, так что приходится решать задачу концентрирования этого раствора, которое представляет собой удаление воды и низкомолекулярных компонентов. Наиболее простым методом является упаривание, однако оно не применимо в случае получения биологически активных соединений. Таким образом, обычное упарива­ние применяется лишь для достаточно стабильных продуктов (низкомо­лекулярных продуктов биосинтеза, таких как аминокислоты и антибио­тики). Во многих случаях оказывается необходимым получить продукт в сухом виде. Для этого используются различные технологические прие­мы сушки. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания. Сушка термо стабильных препаратов осуществля­ется на подносах, ленточном конвейере, а также в кипящем слое. Особо чувствительные к нагреванию препараты высушивают в вакуум- сушильных шкафах (при пониженном давлении и температуре) и в рас­пылительных сушилках. В этом случае раствор продукта подают в спе­циальный аппарат через форсунку, которая обеспечивает распыление раствора на капли малого размера. В направлении, противоположном подаче раствора продукта, подается турбулентный поток горячего воз­духа.

К стабилизации свойств биотехнологических продуктов ведет до­бавление в качестве наполнителей различных веществ. Для стабилиза­ции кормового белка добавляют отруби, кукурузную муку, обладающие дополнительной питательной ценностью. Для стабилизации фермент­ных препаратов используют глицерин и углеводы (КМЦ), которые пре­
пятствуют денатурации ферментов, а также ионы кобальта, магния, натрия и др.