асштабирования с целью высокоэффективного и экономичного биосинтеза целевого продукта в промышленных условиях.

§ 6. Биотехнологические процессы

и аппараты периодического и непрерывного действия

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании. Периодический процесс подобен естественному ходу сельскохозяйственных работ, начинающихся весенним засевом полей и заканчивающихся сбором урожая, в то время как непрерывный процесс напоминает рост растений в оранжерее, когда вегетация и плодоношение продолжаются неограниченно долго в любое время года.

Периодические процессы. Периодический процесс включает: а) стерилизацию сред, биореактора и вспомогательного оборудования; б) загрузку аппарата питательной средой; в) внесение посевного материала (клеток, спор); г) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему; д) синтез целевого продукта; е) отделение и очистку готового продукта. Речь идет о временной последовательности этапов, по окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

В свою очередь этап роста культуры включает: а) лаг-фазу — сравнительно медленный рост внесенной культуры, осваивающей новую среду обитания в объеме биореактора; б) экспоненциальную фазу—бурное деление клеток, сбалансированный рост культуры; в) фазу замедления роста, связанного с исчерпанием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболизма; г) стационарную фазу — прирост клеток равен их убыли; д) фазу отмирания — постепенное снижение числа жизнеспособных клеток.

В течение экспоненциальной фазы прирост биомассы в единицу времени dC/dt пропорционален концентрации клеток С:

dC =|iC, (2)

dt

где коэффициент пропорциональности ц соответствует удельной скорости роста. Это уравнение, записанное в интегральной форме, раскрывает смысл обозначения «экспоненциальная фаза роста»:

1пС — 1пСо= \i(t — t0). (3)

Разность между логарифмами концентраций клеток (С и Со) в два различных момента времени (/ и to) пропорциональна прошедшему интервалу времени.

Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины — так называемые первичные метаболиты) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и т. д. — так называемые вторичные метаболиты или идиолиты). Классическим примером переключения культуры с синтеза одного продукта на синтез другого служит ацетонобутиловое брожение, впервые изученное В. Н. Шапошниковым. Продуцент, анаэробная бактерия Clostridium acetobutylicum, образует вначале органические кислоты, главным образом масляную. Это ведет к постепенному снижению рН среды культивирования. Когда рН достигает порогового значения, клетки бактерии переключаются на синтез нейтральных продуктов — ацетона и бутанола. Аналогичная двухфазность в образовании продуктов характерна для многих других организмов.

Современные периодические процессы основаны на принципе дифференцированных режимов культивирования (см. гл. 2, § 2), который отвечает смене фаз роста культуры. Например, при культивировании актиномицета Streptomyces nigrificans — сверхпродуцента фермента ксилозоизомеразы — проводят ступенчатое изменение режима аэрации и перемешивания после 12 ч роста (К. Demnerova et al., 1984).

Широко применяют периодическое культивирование с подпиткой: помимо внесения питательного субстрата в реактор до введения в него биообъекта, в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект. В рассмотренном примере со Str. nigrificans субстрат (сахара) добавляют к среде культивирования дважды — исходно и в середине процесса.

Существует также отъемно-доливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентного объема среды. Это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания. Такой режим культивирования в значительной мере уподобляется непрерывному процессу и поэтому называется также полунепрерывным культивированием.

Модификацией периодического культивирования является также культивирование с диализом, при котором субстрат постоянно поступает в культуральную жидкость через специальную мембрану. Диализ ведет к уменьшению концентрации продуктов жизнедеятельности, подавляющих рост биообъекта. Стимуляция роста тиобацилл может быть достигнута путем постоянного удаления методом диализа накапливаемого в среде ингибитора их метаболизма (С. Дж. Перт, 1978). Кроме того, путем диализа из культуры удаляют часть жидкости, что позволяет получить в конце процесса концентрированный урожай биомассы.

Непрерывные процессы. В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него ку