Глава 5. Биотехнологический процесс

Любой технологический процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных стадий и операций, обеспечивающих переработку исходного материала (субстрата) в готовый продукт (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Основные компоненты биотехнологической системы

Биотехнологический процесс отличается от простого технологического обязательным наличием биообъекта. Биообъект является главным, центральным элементом биотехнологического процесса, определяющим его специфику, поскольку именно клетка биообъекта (клетка микроорганизма, животного, растения) синтезирует целевой продукт и определяет эффективность функционирования всей биотехнологической системы.

В качестве биообъектов микробные клетки прокариот и эукариот в современном биотехнологическом производстве занимают доминирующее положение. Микробные клетки являются продуцентами первичных метаболитов, используемых в качестве лекарственных средств (аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, коферменты, ферменты медицинского назначения и др.) и вторичных метаболитов (антибиотики, гормоны, нуклеозиды, витамины и др.).

Наконец, микробные клетки методами генной инженерии могут быть превращены в продуценты видоспецифических белковых веществ, ранее получаемых только из животного сырья. Сегодня с помощью генно-инженерных микроорганизмов получают различные биотехнологические продукты: инсулин, интерфероны, вакцины, аминокислоты, витамины, ферменты.

Клетки животных также способны в определенных условиях на искусственных питательных средах синтезировать большое разнообразие физиологически активных веществ белковой природы. Это интерфероны, интерлейкины, моноклональные антитела, инсулин, различные иммунорегулирующие вещества.

Каждый из указанных биотехнологических продуктов получают по конкретной технологии, имеющей свои отличительные особенности, некоторые детали, способы организации производства. Однако во всех производствах, основанных на жизнедеятельности живой клетки, имеются общие, типичные стадии, и принципы осуществления процесса выращивания аналогичны для всех биообъектов.

Понятие «продуцент» биообъекта происходит от латинского слова producentis — производящий. Дословно — это клетка микроорганизма или животного, образующая нужный биотехнологический продукт: антибиотик, аминокислоту, рекомбинантный белок и т.д.

Промышленный продуцент должен отвечать ряду определенных требований:

• обладать высокой скоростью роста и давать максимальный выход основного продукта за короткое время;
• проявлять биосинтетическую активность преимущественно в отношении желаемого продукта с низким образованием побочных продуктов;
• быть стабильным в отношении продуктивности и чувствительным к изменению условий культивирования;
• быть устойчивым к фаговой инфекции;
• быть безвредным для работающего персонала и окружающей среды.

При выборе того или иного продуцента биологически активных веществ для промышленного производства необходимо соблюдать принцип технологичности. Если в течение многочисленных циклов куль­тивирования свойства биообъекта не сохраняются или претерпевают существенные изменения, то данный биологический объект следует признать нетехнологичным, то есть неприемлемым для производства.

В биотехнологической промышленности используют в основном три вида штаммов:

1) природные штаммы, улучшенные естественным или искусственным отбором;

2) штаммы, полученные в результате индуцированных мутаций;

3) штаммы, полученные методами генной или клеточной инже­нерии.

Сегодня количество биообъектов, используемых в биотехнологии, постоянно растет, прежде всего это относится к рекомбинантным мик­роорганизмам и клеткам животных.

Основными для любого биотехнологического процесса можно считать пять стадий, которые взаимосвязаны, но различаются по целям и принципам их достижения:

1) приготовление посевного материала продуцента биологически активных веществ;

2) приготовление и стерилизация питательной среды;

3) ферментация;

4) выделение и очистка целевого биотехнологического продукта;

5) приготовление лекарственных форм препарата.

Приготовление посевного материала продуцента биологически активных веществ

Биотехнологический процесс начинается со стадии получения (выращивания) посевного материала. Выращивание посевного материала — одна из важнейших стадий в технологическом цикле культивирования биообъектов. Его состояние оказывает существенное влияние на рост и развитие продуцента, а также на последующий процесс синтеза целевого биотехнологического продукта. Возможность получения высоких показателей в процессе культивирования зависит не только от наследственных особенностей продуцента, но и от условий его выращивания, состава посевной среды, возраста посевной культуры, ее количества при передаче на стадию ферментации и т.д. Эти показатели, как правило, индивидуальны для каждого продуцента биологически активных веществ.

Посевным материалом называют «чистую» культуру продуцента, размноженную до такого количества (объема), которое необходимо для засева промышленных аппаратов — ферментаторов.

Под «чистой» культурой понимают потомство одной-единственной клетки (клона), не загрязненной посторонней микрофлорой. Получить «чистую» культуру, с несомненностью доказать ее чистоту и уберечь от посторонних микроорганизмов — главная задача микробиолога. Недостаточное поддержание чистоты культуры-продуцента может значительно снизить технологические и экономические показатели биотехнологического производства.

Получение посевного материала любого продуцента биологически активных веществ включает несколько этапов:

1) получение исходной культуры-продуцента от научной организации разработчика технологии или из коллекции (банка культур), ее хранение;

2) поддержание культуры-продуцента в активном состоянии в микробиологической лаборатории;