1.3. Основная ферментация

Эффективность биотехнологического производства определяется, в первую очередь, производительностью основного оборудования. Поэтому проведению стадии основной ферментации уделяется большое внимание. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных опера­ций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой тем­пературы среду посевного материала и до завершения процесса роста кле­ток или биосинтеза целевого продукта. По окончании ферментации обра­зуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непо­требленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.

Процесс ферментации может осуществляться 2-мя способами: поверхностного культивирования, когда выращивание производствен­ной культуры производят на среде, содержащей твердые частицы субстра­та; 2) глубинного культивирования, когда выращивание той же культуры микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды, содержащей растворенный субстрат.

При поверхностном способе культивирование проводится в так назы­ваемых кюветах, которые представляют собой противни, изготовленные из оцинкованной жести или нержавеющей стали с перфорированным днищем. Размер их обычно 600x800x30 мм, перфорация выполнена в виде щелей 2x20 мм. Заполненные питательной средой кюветы размещают на этажерках с небольшим наклоном через каждые 100-120 мм по высоте. В целях экономии производственных площадей кюветы объединяют в кассе­ты. Многоярусные подвижные этажерки устанавливают в растилыше ка­меры, имеющие размеры (в мм) 200х 1000x200. Камеры располагают меж­ду 2-мя коридорами: загрузочным и разгрузочным; с обеих сторон камеры снабжены герметичными дверями. Такой вариант не является эффектив­ным, поскольку предполагает использование громоздкого оборудования, значительную долю ручного труда. Способ находит ограниченное приме­нение, в основном в случае, если продукт не может быть получен глубин­ным культивированием.

Более распространенным в микробиологической промышленности яв­ляется метод глубинного культивирования . По сравнению с поверхност­ным способом он является более интенсивным, позволяет вырабатывать за единицу времени и объема большее количество целевого продукта. глубинное культивирование проводят в емкостных аппаратах, которые назы­ваются ферментаторами или ферментерами (рис.2). Такой аппарат должен обеспечивать: 1) рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы, 2) подвод питательных веществ к клеткам микроорганиз­мов, 3) отвод от микробных клеток продуктов их обмена веществ (метабо­лизма), .4) отвод из среды выделяемого клетками тепла. Самый простой ферментер состоит из емкости 1, определяющей рабочий объем аппарата, системы ввода и выивода жидкостных и газовых потоков 2, системы пере­мешивания 3, обеспечивающей наиболее полное смешение компонентов питательной среды, системы диспергирования воздуха (при проведении аэробных процессов) - барботера 4, охлаждающих устройств для отвода тепла - змеевика 5 и рубашки 6.

.Рис.2. Аппарат для глубинного культивирования микроорганизмов (фер­ментер):

1 - емкость; 2 - система ввода и вывода жидкостных и газовых потоков; 3 -система перемешивания; 4 - барботер; 5 -змеевик; 6 - рубашка

В зависимости от цели биотехнологического производства - получение клеток или продуктов их жизнедеятельности - способы ведения основной ферментации несколько различаются. Если процесс направлен на получение биомассы, то назначение ферментации - получить максимально воз­можный титр клеток, а в случае получения метаболитов их накопление осуществляют одновременно, причем максимумы образования продуцента и целевого продукта всегда сдвинуты по времени. Поэтому продолжи­тельность ферментации в первом случае всегда меньше, чем во втором.

Просто в ферментационной среде создаются условия, например низкие значения рН или повышенные температуры, которые обеспечивают доминирование производственного штамма над посторонней микрофлорой. Примером таких технологий является культи­вирование в непрерывных условиях кормовых дрожжей и получение ук­сусной кислоты при пониженных значениях рН среды, а также производ­ство кормового витамина Вц и анаэробное сбраживание органических ве­ществ, где используются термофильные микроорганизмы и стадию фер­ментации проводят при температуре 50-55°С.

Чтобы обеспечить доминирующий рост производственному штамму, пользуются приемом, суть которого сводится к увеличению доли посевно­го материала, передаваемого в основной аппарат. Она может достигать 20-25%.

Ферментационные процессы отличаются и значениями контролируе­мых параметров. К ним, прежде всего, относятся температура, рН среды, объемный расход воздуха. При культивировании различных микробных клеток интервал рабочих температур варьирует от 25 до 60°С, значения рН - от 2 до 9, расход воздуха в аэробных процессах - от 0.15 до 2.5 м° на 1 м' среды в минуту. Весьма важна точность, с которой эти параметры под­держиваются в ходе проведения отдельной ферментации. Температуру стараются поддерживать с точностью 1°С, рН среды - 0.2, объемный рас­ход воздуха -10%. Продолжительность проведения отдельных фермента­ции тоже сильно варьирует. Если целью является получение биомассы промышленного штамма в периодическом процессе, то время культивиро­вания в периодическом процессе не превышает 24 ч. При производстве первичных метаболитов время биосинтеза составляет уже 48-72 ч, а вто­ричных - более 72-144 ч.

Технологическое оформление процессов биосинтеза различается также в зависимости от отношения организма-продуцента к кислороду. С этой точки зрения различают аэробные и анаэробные процессы.

Большинство используемых в современном производстве культур мик­роорганизмов являются аэробными, т.е. требуют присутствия кислорода в среде. Это достигается путем обеспечения необходимой концентрации растворенного кислорода в жидкой питательной среде. Для того, чтобы облегчить растворение кислорода в воде, внутрь ферментера помещают так называемые барботеры (трубы с малыми отверстиями по всей длине). При этом кислород поступает в жидкую фазу в виде мелких пузырьков, что при работающей мешалке увеличивает скорость его растворения. Од­нако иногда в микробиологической промышленности, например при по­лучении витамина В_]2, используются анаэробные культуры.

Вопросы, связанные с подводом или отводом тепла в ходе ферментации являются очень актуарными в ряде биотехнологических производств. Проблема обусловлена прежде всего тем, что температурный оптимум роста клеток большинства микроорганизмов лежит в интервале 26-40°С. Кроме того, в аэробных процессах на стадии выращивания, продуцента на­блюдается значительное тепловыделение. При работе с большими объе­мами ферментационной среды поддержание температуры на требуемом уровне является непростой задачей. Для отвода тепла на практике наибо­лее часто применяют охлаждение ферментера оборотной водой, которая подается в змеевики и многосекционные рубашки. Однако такой метод оказывается малоэффективен в теплое время года, когда разность темпе­ратур ферментационной среды и оборотной воды порой не превышает не­скольких градусов.

По окончании ферментации культуральная жидкость поступает на пе­реработку, где происходит выделение и очистка целевого продукта.