В современном мире все большее внимание уделяется производственным процессам, в которых используется жизнедеятельность организмов, так называемым биотехнологическим процессам. Интенсивное развитие биотехнологии обусловлено успехами биологической науки за последние 30 лет, венцом которых стала разработка технологии генетической и клеточной инженерии; развивающимся кризисом традиционных технологий, что связано с исчерпанием (или удорожанием) природных ресурсов. Развитие биотехнологии сулит в будущем экономические и экологические выгоды.
В наиболее общепринятом понимании биотехнология — это интегрированное использование биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и прикладных наук в технологических процессах с использованием микроорганизмов, культур клеток и тканей.
На рис. 1 приведена структура типовой биотехнологической системы, выделены ее главные составляющие.
Рис. 1. Основные компоненты биотехнологической системы
Важным научным разделом биотехнологии, интенсивно развиваемой в настоящее время, является микробиологическая биотехнология, или биотехнология микробного синтеза, которая изучает закономерности, присущие популяциям микроорганизмов, получаемым и обрабатываемым в искусственно создаваемых условиях. Развитие биотехнологии микробного синтеза продиктовано, с одной стороны, потребностью в определенных продуктах, с другой — наличием сырья и накоплением отходов, которые экономичнее утилизировать (рис. 2).
Рис. 2. Схема биоконверсии с учетом важнейших групп субстратов, сырья и продуктов
К основным задачам микробиологической биотехнологии относится теоретическое и экспериментальное обоснование методов и режимов, обеспечивающих воспроизводимое (с требуемой вероятностью) получение популяций микроорганизмов и целевых продуктов их жизнедеятельности с заданными свойствами в оптимальных условиях на макроуровне. Результаты изучения закономерностей служат научной основой создания микробиологических производств, а также специфического оборудования, приборов и автоматизированных систем, необходимых для получения, обработки и хранения микробиологических препаратов.
Процессы микробиологического синтеза используются для получения:
1) микробной биомассы (дрожжи, микроводоросли, белково-витаминный концентрат БВК и др.);
2) биохимических продуктов сложного строения, выделяемых микроорганизмами в процессе культивирования или получаемых из биомассы (антибиотики, витамины, органические кислоты, ферменты, спирты и др.);
3) химических продуктов, образующихся в результате превращений с использованием ферментативной активности микроорганизмов и их компонентов (6-аминопенициллиновая кислота и др.);
4) очищенных от нежелательных компонентов сред (осветленные сточные воды, депарафинизированная нефть и др.);
5) ценных металлов, выделенных с помощью микробиологического выщелачивания металлов из руд.
Разнородные производства на основе микробиологической технологии носят многостадийный характер и включают наряду с микробиологической стадией большое число других процессов, характерных для химической технологии. Объектом научного исследования данной книги является собственно микробиологическая стадия — стадия ферментации (культивирования, брожения, биосинтеза, биотрансформации, биоконверсии и т. п.).
Назовем ее некоторые особенности:
1. Процесс культивирования микроорганизмов обычно реализуется в условиях строгой чистоты культуры, что достигается стерилизацией как основной, так и вспомогательной аппаратуры, а также всех компонентов, поступающих в ферментер.
2. Культивирование микроорганизмов проводится в гетерогенных многофазных системах, реологические свойства которых в ходе процесса часто изменяются.
3. Многокомпонентность питательных сред.
4. Сложность биохимических механизмов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов.
5. Автокаталитичность процесса, т. е. влияние продуктов реакции (в том числе образовавшейся биомассы, синтезированных ферментов) на скорость протекания процесса.
6. Более высокая вариабельность биотехнологических процессов по сравнению с химико-технологическими.
7. Относительно низкие скорости реакций, концентрации субстратов, получаемых продуктов, которые, как правило, еще не являются товарными.
8. Обычно умеренная температура в пределах 20—40°С и близкие к нейтральным значения рН.
9. Различие условий, оптимальных для роста микроорганизмов и биосинтеза целевых продуктов метаболизма.
10. Процесс культивирования микроорганизмов — сложная система с выраженной многоуровневой структурой.
11. Культивирование микроорганизмов — сложный технологический процесс, требующий для своего осуществления довольно сложной аппаратуры, инструментального, компьютерного и других видов обеспечения.