Ферментация

Стадия ферментации является основной стадией в биотехноло­гическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие про­дуцента с субстратом и образование целевых продуктов. Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментаторе) и может быть организована различными способами в зависимости от особенно­стей используемого продуцента и требований к типу и качеству конеч­ного продукта. Ферментация может происходить в строго асептических условиях или без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация); на жидких и твердых средах, анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация может протекать, в свою очередь, по­верхностно или глубинно (во всей толще питательной среды). Культи­вирование биологических объектов может осуществляться в периодиче­ском и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.

В ходе периодической ферментации выращиваемая культура про­ходит ряд последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, за­медления роста, стационарную и отмирания (рис. 3.2). При этом проис­ходят существенные изменения физиологического состояния биообъек­та, а также ряда параметров среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты - ферменты, аминокислоты, витамины, т. е. вещества, которые требуются для роста культуры кле­ток) и стационарной (вторичные метаболиты - антибиотики, алкалоиды, гормоны, токсины - низкомолекулярные вещества, не требующиеся для роста культуры, но необходимые для функционирования зрелой попу­ляции, часто выполняющие защитную функцию) фазах, поэтому в зави­симости от целей биотехнологического процесса в современных про­мышленных процессах применяют принцип дифференцированных ре­жимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимального производства того или иного целевого продукта.

Непрерывная ферментация биообъектов осуществляется в усло­виях установившегося режима, когда микробная популяция и ее про­дукты наиболее однородны, т. е. в стационарной фазе. Применение не­прерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непре­рывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения. Первый пример - так называемая тубулярная культура: процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательная среда и инокулят, а с другой - с той же скоростью вытекает культураль- ная жидкость и целевые продукты. Данная система проточной фермен­тации является гетерогенной и реализуется, как правило, без перемеши­вания. При непрерывной ферментации в ферментаторах полного сме­шения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать проду­цент в практически любом требуемом экспериментатору или биотехно­логу состоянии.

Обеспечение процесса ферментации с точки зрения инженерной реализации сводится к дозированному поступлению в ферментатор по­токов (инокулята, воздуха или газовых смесей, питательных биогенных элементов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного возду­ха, культуральной жидкости, а также к измерению и стабилизации ос­новных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. В ходе фермен­тации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладыва­ет ограничения на методы выделения и сушки биологических препара­тов.