Ферментационные системы

В практике современной индустриальной биотехнологии существует

три главных типа биореакторов и две формы биокатализаторов.

Биореакторы могут функционировать на основе разовой (однократной),

восполняемой ( неполностью) и непрерывной (продолженной) загрузки. А

в самих реакторах культуры могут быть статическими и

перемешивающимися, находиться в присутствии кислорода (аэробы) или

без него (анаэробы), а также в водной фазе или условиях низкого

увлажнения.

Биокатализаторы (цельные клетки или ферменты) могут быть

свободными или иммобилизованными путем прикрепления к поверхности

биореактора или к специальным устройствам. Обычно реакции,

протекающие в ферменторах, осуществляются при умеренных значениях

рН (около нейтрального) и температуры (от 20 до 60 С). При многих

биотехнологических процессах конечные продукты метаболизма (так

называемые целевые продукты) накапливаются в низких концентрациях в

растворимой фазе (в водной среде) и требуют сепарации, прежде чем

будут направлены на реализацию.

Биореакторные системы для выращивания микрорганизмов могут

быть классифицированы как " замкнутые" и " открытые". Система

рассматривается в качестве замкнутой, когда многие компоненты данной

системы не могут быть из нее удалены или добавлены. Так, например, в

традиционных однократных (т. е. замкнутых) ферментационных системах

все питательные компоненты добавляются в начале ферментации и, как

результат этого, скорость роста, находящегося в таких условиях

организма, в конечном счете будет снижена до нуля вследствие

уменьшения количества питательных веществ или накопления

токсических продуктов отхода метаболизма. Системы, функционирующие

в таких условиях, называются как batch-системы (замкнутые системы).

Большинство современных биотехнологических систем функционируют

как batch-процессы, при которых однажды оптимизированные условия

обеспечивают максимальное накопление целевого (требуемого) продукта,

например, приготовление пива, производство антибиотиков и ферментов

и т. п.

Модификацией

процесса

с

разовой

загрузкой

является

возобновляемая ферментация (feеd batch – от feеd-насыщающий), при

которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе

ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата

или для активации процесса. Однако в своей принципиальной основе

подобные системы остаются замкнутыми, поскольку у них нет

постоянного оттока содержимого.

В

противоположность

этому,

ферментационная

система,

рассматривается как открытая, если ее компоненты (микроорганизмы и

питательные субстраты) могут постоянно добавляться и удаляться из

биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно

подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие

продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или

в целевой продукт должна быть точно сбалансирована со скоростью

поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое

состояние метаболических процессов в реакторе.

Хотя непрерывные процессы приобрели широкое практическое

применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них

используются в промышленности. Однако непрерывные процессы

довольно широко практикуются в производстве одноклеточного белка;

например, продукция ICI Prutin на метаноле и производство микопротеина

компанией Rank Hovis McDougall.