БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.10. Крупномасштабное производство

12.10.5. Периодическое, периодическое с добавлением субстрата и непрерывное культивирование

Существуют два основных типа ферментации, периодическая ферментация (или закрытая система) и непрерывное культивирование (или открытая система). При периодической ферментации, все необходимые ингредиенты вносятся до начала процесса; в ходе культивирования питательные вещества не добавляются и параметры ферментации не меняются. Именно поэтому процесс называется закрытой системой. Когда образуется достаточное количество продукта, процесс останавливают. Затем содержимое ферментера выгружают, выделяют продукт, выбрасывают использованные микроорганизмы, чистят ферментер и загружают его для нового культивирования.

Непрерывное культивирование представляет собой продолжительную, долговременную операцию, занимающую много недель, в ходе которой питательные вещества добавляют в среду по мере их расходования, а излишек культуры отбирают. Несмотря на то, что такая ситуация наиболее близка к естественным условиям, таким, например, как в кишечнике, непрерывное культивирование имеет ограниченное применение. К примеру, компания ICI использовала этот подход для производства белка одноклеточных прутина (pruteen) из бактерии Methylophilusmethylotrophus (разд. 12.12.3). Ферментер работал непрерывно в течение 100 дней и производительность достигала 150 тонн в день.

Непрерывное культивирование пока не находит широкого применения, однако в настоящее время все более популярным становится периодическое культивирование с добавлением субстрата, которое представляет собой компромисс между двумя системами. Использование периодического культивирования с добавлением субстрата делает процесс более контролируемым по сравнению с периодическим культивированием. Период роста удлиняется за счет того, что питательные вещества добавляются в низких концентрациях в процессе ферментации, а не вносятся все сразу в начале процесса. Одним из преимуществ метода является возможность регулирования скорости роста, которую можно соизмерять со скоростью подачи кислорода. Этот процесс обычно используется в производстве дрожжевых клеток для пекарной промышленности. Если к дрожжевым клеткам добавляют слишком много сахара, они начинают дышать анаэробно и образуют вместо биомассы спирт. Периодическое культивирование с добавлением субстрата используется также в производстве пенициллина (разд. 12.11.1).

Преимущества и недостатки периодического и непрерывного культивирования суммированы в табл. 12.4.

Таблица 12.4. Преимущества и недостатки периодического и непрерывного культивирования

Преимущества

Недостатки

Периодическое

культивирование

Используется для получения вторичных метаболитов, продукция которых не связана с ростом, например антибиотиков

Можно использовать штаммы, которые слишком нестабильны для непрерывного культивирования

Легче запускать и разгонять, чем непрерывную культуру

Ферментеры менее специализированы и в зависимости от потребностей могут быть использованы в других процессах

Теряется время между периодами наращивания культуры, которое могло бы использоваться для продукции

В процессе ферментации меняются условия в ферментере. Истощаются питательные вещества и накапливается продукт. Увеличивается выход тепла, продукция кислоты или щелочи, поглощение кислорода. Таким образом, постепенно условия становятся неблагоприятными, и скорость роста постепенно снижается. См. график на рис. 12.8

Непрерывное

культивирование

Более контролируемо. Цель — поддержание постоянных условий окружающей среды. Питательные вещества добавляются по мере использования, продукт удаляется по мере накопления

Продуктивность выше, поскольку нет перерывов (непрерывный процесс). Поэтому более высокая стоимость процесса оправдывает себя в некоторых ситуациях

Достигнутая оптимальная (максимальная или экспоненциальная) скорость роста постоянно поддерживается

Можно использовать ферментеры меньшего размера, поскольку выход продукции выше

Больше подходит для производства биомассы. Используется также для производства этанола, синтез которого пропорционален скорости роста

Спрос на рабочую силу более регулярный

Выше риск загрязнения, хотя при хорошей конструкции эта проблема может быть решена

Контроль более сложный

При использовании в пивоварении выход продукции был выше, однако ее качество ухудшалось