Сырьевая база биотехнологии.

Сырье для микробиологической промышленности. Источник углерода. 10-60% стоимости продуктов  ферментацни приходится на стоимость компонентов среды и прежде всего на стоимость источника углерода. Для снижения затрат в микро­биологическом производстве обычно применяют дешевые среды, приготовленные на основе сырья растительного происхождения.

Как источник углерода чаще всего используют злаковый крахмал, мелассы, кроме того, декстрозу, растительное масло, метанол, этанол, н-парафины, целлюлозу, лактозу, реже этанол и ук­сусную кислоту.

Источники азота. Наиболее обычными источниками азота, которые исполь­зуют в промышленности, являются (по Соопеу, 1985):

- Кукурузный экстракт;                         

- Соевая мука;

- Рыбная мука;                                   

- Остаток после отгонки спирта;

- Аммонийный газ;

- Мочевина;

- Дрожжевой экстракт;

- Гидролизат белка;

- Сернокислый аммоний.

Источник азота может сильно удорожать ферментацию. Считают, что комплекс­ные азотистые вещества (как и углеродные) выгоднее использовать, чем аммоний или его соли, поскольку они обеспечивают вы­сокую скорость ферментации и конверсии, так как содержат до­полнительные питательные вещества. Но в комплексных источни­ках могут присутствовать неутилизируемые компоненты, которые нужно отделять от конечного продукта и ликвидировать. Кроме того, с простым источником азота легче осуществлять контроль и регуляцию процесса. Использование недорогих питательных ве­ществ известного состава как источников азота более целесообразно для таких процессов, высокую стоимость которых в боль­шей степени определяет собственно ферментация, а не выделение продукта.

При приготовлении сред в промышленных масштабах учитывают состав ингредиентов, качество сырья, вариабельность состава сырья от партии к партии, отношение C/N, содержание примесей. Для приготовления сред существует определенный порядок растворения или суспендирования ингредиентов, учитывают значение рН до и после стерилизации.

Повышение температуры (при стерилизации) и аэрации изме­няют качество питательной среды, поэтому эти изменения прове­ряют перед инокулированием. Состав сред может быть оптимизи­рован с использованием статистических методов при создании программ, основанных на применении компьютеров.

В настоящее время ферментационную промышленность рас­сматривают как интеграционное производство, включающее подготовку сырья, приготовление сред, проведение собственно ферментации выделение и очистку продукта и обработку (удаление) отходов. Причем обработке или утилизации отходов в последнее время придают особо важное значение. Например известно, что сейчас при пуске нового завода 10—15% капиталовложений поглощает обработка отходов. Поэтому выгоднее использовать сырье, которое дает меньше отходов. К важным условиям (параметрам) проведения микробиологического процесса относятся температура, аэрация (если процесс аэробный), давление, перемешивание и некоторые другие.

Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающих обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой.

Первичные метаболиты — это продукты метаболизма, необходимые для роста и выживания. Первичные продукты анаболизма, имеющие промышленную важность, — это липиды, витамины, биомасса, полисахариды и интермедиаты клеточного биосинтеза: нуклеотиды и аминокисло­ты.

Вторичные метаболиты — продукты метаболизма, которые не требуются для роста и не существенны для выживания. Тем не менее они выполняют полезные функции и часто защищают от действия других конкурирующих микроорганизмов либо подавляют их рост. Некоторые из них токсичны для животных, поэтому они могут использоваться в качестве химического оружия. В наиболее активные периоды роста чаще всего они не образуются, но начинают производиться при замедлении роста, когда становятся доступными резервные материалы.

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Антибиотики — органические соединения. Они синтезируются живой клеткой и способны в небольших концентрациях замедлить развитие или полностью уничтожить чувствительные к ним виды микроорганизмов.

Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S - образную кривую. Первая стадия - стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста, когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например, для защиты. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам.

Особенности культурального роста этих микроорганизмов необходимо учитывать при производстве. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в процессе тропофазы чувствительно к собственным антибиотикам, однако во время идиофазы они становятся к ним устойчивыми.

Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от самоуничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем культивировать микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов культивирования и составом питательной среды на стадиях быстрого и медленного роста.