Расширение масштаба производства в биотехнологии.

Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОТЕХНОЛОГИИ

Современные биотехнологические производства – сложный комплекс взаимосвязанных биофизических, биохимических и физико-химических процессов; в этих технологических процессах производство и биология представляют единое целое.

Биотехнология – это использование культур клеток, бактерий, животных, растений, метаболизм и биологические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

В фармацевтической промышленности биотехнология охватывает разработку вакцин, синтез гормонов, ферментов, интерферонов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, алкалоидов, полисахаридов и других биологически активных веществ (БАВ).

В историческом смысле биотехнология возникла, когда дрожжи были впервые использованы при изготовлении пива, а бактерии – для получения йогурта.

С 1961 г. биотехнология тесно связана с исследованиями в области промышленного производства коммерческих продуктов при участии живых орга­низмов, биологических систем и процессов. С этого времени биотехнология встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и промышленной инженерии.

Промышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоит из трех ключевых этапов:

1. Исходная обработка: обработка сырья для использования в качестве источника питательных веществ для микроорганизма- мишени.

2. Ферментация и биотрансформация: рост микроорганизма – мишени в большом (обычно более 100 л) биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансформация).

3. Конечная обработка: очистка целевого продукта от компонентов культуральной среды или от клеточной массы (рис. 1).

Цель биотехнологических исследований — максимальное повышение эффективности каждого из этих этапов и поиск микроорганизмов, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Расширение масштаба производства в биотехнологии.

Наиболее трудным для оптимизации был этап биотрансформации. При использовании природных микробных штаммов выход конечного продукта часто оказывался существенно ниже оптимального. Традиционные схемы генетического усовершенствования бактерий включают скрининг, отбор и тестирование огромного количества колоний.

Такие работы высокозатратны, занимают много времени и при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих, передаваемых по наследству свойств штамма, а не на расширение его генетических возможностей.

И все же к концу 70-х таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целого ряда конечных продуктов.

С развитием технологии рекомбинантных ДНК природа и возможности биотехнологии резко изменились. Стратегия переноса функциональной единицы наследственности (гена) из одного организма в другой была разработана американскими учеными Стенли Коэном и Гербертом Бойером в 1973 г.

Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации – не просто отбирать высокопродуктивные штаммы микроорганизмов и эукариотических клеток, а создавать принципиально новые, используя их в качестве «биологических фабрик» по производству инсулина, интерферонов, интерлейкинов, гормона роста, вирусных антигенов и множества других белков.

Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах.

Технология рекомбинантных ДНК – это быстродействующий, эффективный, мощный инструмент, обеспечивающий создание микроорганизмов с заранее заданными генетическими характеристиками. Этот инструмент может работать не только с микроорганизмами, но с растениями и животными.

На стыке технологии рекомбинантных ДНК и биотехнологии возникла динамичная, высококонкурентоспособная молекулярная БТ (МБТ). Биотехнологическая составляющая молекулярной биотехнологии — промышленная микробиология и химическая инженерия; молекулярная составляющая – молекулярная биология, молекулярная генетика бактерий, энзимология нуклеиновых кислот.

  • История развития молекулярной биотехнологии (даты, события)
  • 1917 – введен термин «биотехнология»;
  • 1943 – произведен в промышленном масштабе пенициллин;
  • 1944 – показано, что генетический материал представляет собой ДНК;
  • 1953 – установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;
  • 1961 – учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;
  • 1961-1966 – расшифрован генетический код, оказавшийся универсальным для всех организмов;
  • 1953-1976 – расшифрована структура ДНК, ее функции в сохранении и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;
  • 1963 – осуществлён синтез биополимеров по установленной структуре;
  • 1970 – выделена первая рестрикционная эндонуклеаза; осуществлён синтез ДНК;
  • 1972 – синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;
  • 1975 – изучены моноклональные антитела;
  • 1976 – разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;
  • 1978 – фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. coli;
  • 1981 – синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;
  • 1982 – разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;
  • 1983 – гибридные Тi-плазмиды применены ДМ трансформации растений;
  • 1990 – официально начаты работы над проектом «геном человека»;
  • 1994-1995 – опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;
  • 1996 – ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов;
  • 1997 – клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;
  • 2003 – расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК.

В последние годы родилась новая отрасль генетики — геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы.

Достижения молекулярной биологии к генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных.

Например, знание, геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.

Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине; Международный консорциум по составлению генетической карты человека (Центр геномного секвенирования; Вашингтонский университет и Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что удалось полностью расшифровать геном человека.

Титанический труд сотен исследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд. долларов.

При этом были разработаны высокоэффективные технологии и инструменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека.

Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.

Ранее было объявлено о «черновой» расшифровке генома человека с точностью 99,9%, сейчас эта точность увеличена на порядок. Осталось заполнить, расшифровать в геноме примерно 460 «дырок». В геноме человека прочитано 3 млрд.

символов, но решающее значение принадлежит пониманию смысла прочитанного. Из 30 тыс. генов, составляющих геном человека, науке известно о предназначении лишь трети их числа.

Полная расшифровка генома человека позволит справиться с множеством недугов, таких как наследственные болезни, рак, заболевания сердечно-сосудистой системы, психические и многие другие.

В России существует своя программа «Геном человека», независимая от Международного консорциума, гораздо более скромная по финансовым возможностям.

Ученые на уровне генома изучают связь различных генов с наиболее распространенными заболеваниями, ДНК – диагностику, диагностику хромосомных нарушений, молекулярный цитогенетический анализ.

Геномная медицина «корректирует» традиционные методы лечения заболеваний с учетом индивидуальных генетических данных каждого человека. Генетическую обусловленность наследственных заболеваний определяют около 3 тыс. генов.

Геномные методы идентификации личности, разработанные и практические реализованные в геномике человека, имеют большое значение для общества. Криминалистика получила в свое распоряжение абсо­лютно достоверный метод доказательства: для геномной дактилоскопии достаточно лишь одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы, слюны, перхоти.

Молекулярная биотехнология (МБТ) пользуется достижениями разных областей науки и применяет их для создания разнообразных коммерческих продуктов (рис. 2).

Расширение масштаба производства в биотехнологии.

Знания и методы биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики, химической технологии, электроники позволяют использовать потенциал живых клеток в интересах человека.

Знания и умения биотехнолога простираются от биохимии и кинетики физиологических процессов в биосистемах (микроорганизм, клетка, вирус) до математического моделирования, экономики, вопросов управления биотехнологическими процессами, объединёнными в сложные системы.

Биотехнология получила возможность воспроизводить нужные продукты в неограниченных количествах, используя новые технологии, позволяющие переносить гены в микробные клетки-продуценты или в организм млекопитающих (трансгенные животные), синтезировать пептиды, создавать искусственные вакцины – это основные биотехнологические процессы, реализующиеся на уровне клетки или с участием отдельных клеточных структур. В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет биоиндустрию.

Роль биотехнологии в современном мире

55457

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности — микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других. Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХ1 в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий. Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы. Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу… Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути -через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом конце, на 58-59 км бега, мы находим, наряду с первобытным орудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами, -это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м. Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов фото- и телекамер…», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код. Автор задает вопрос: не окажется ли судьба человечества судьбой бегуна и не путь ли к гибели человечества столь стремительное развитие научно-технического прогресса? Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек — природа — общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология. К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, — спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды). Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии. Красная (медицинская) биотехнология — наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.). Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов. Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ. Современная биотехнология — это одно из приоритетных направлений национальной экономики всех развитых стран. Путь повышения конкурентности биотехнологических продуктов на рынках сбыта является одним из основных в общей стратегии развития биотехнологии промышленно развитых стран. Стимулирующим фактором выступают специально принимаемые правительственные программы по ускоренному развитию новых направлений биотехнологии. Госпрограммы предусматривают выдачу инвесторам безвозмездных ссуд, долгосрочных кредитов, освобождение от уплаты налогов. В связи с тем что проведение фундаментальных и ориентированных работ становится все более дорогостоящим, многие страны стремятся вывести значительную часть исследований за пределы национальных границ.

Читайте также:  Необходимые для роста питательные вещества.

Как известно, вероятность успеха осуществления проектов НИОКР в целом не превышает 12-20 %, около 60 % проектов достигают стадии технического завершения, 30 % — коммерческого освоения и только 12 % оказываются прибыльными.

США. Лидирующее положение в биотехнологии по промышленному производству биотехнологических продуктов, объемам продаж, внешнеторговому обороту, ассигнованиям и масштабам НИОКР занимают США, где уделяется огромное внимание развитию данного направления. В этом секторе к 2003 г. было занято свыше 198 300 чел. Ассигнования в этот сектор науки и экономики в США значительны и составляют свыше 20 млрд дол. США ежегодно. Доходы биотехнологической индустрии США выросли с 8 млрд дол. в 1992 г. до 39 млрд дол. в 2003 г. Эта отрасль находится под пристальным вниманием государства. Так, в период становления новейшей биотехнологии и возникновения ее направлений, связанных с манипулированием генетическим материалом, в середине 70-х гг. прошлого столетия конгресс США уделял большое внимание вопросам безопасности генетических исследований. Только в 1977 г. состоялось 25 специальных слушаний и было принято 16 законопроектов. В начале 90-х гг. акцент сместился на разработку мер по поощрению практического использования биотехнологии для производства новых продуктов. С развитием биотехнологии в США связывают решение многих ключевых проблем: энергетической, сырьевой, продовольственной и экологической. Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие: — биоконверсия солнечной энергии; — применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов; — конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений; — применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений); — направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов; — получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии. Роль лидера США обусловлена высокими ассигнованиями государства и частного капитала на фундаментальные и прикладные исследования. В финансировании биотехнологии ключевую роль играют Национальный научный фонд (ННФ), министерства здравоохранения и социального обеспечения, сельского хозяйства, энергетики, химической и пищевой промышленности, обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), внутренних дел. Ассигнования выделяются по программно-целевому принципу, т.е. субсидируются и заключаются контракты на исследовательские проекты. При этом крупные промышленные компании устанавливают деловые отношения с университетами и научными центрами. Это способствует формированию комплексов в той или иной сфере, начиная от фундаментальных исследований до серийного выпуска продукта и поставки на рынок. Такая «система участия» предусматривает формирование специализированных фондов с соответствующими экспертными советами и привлечение наиболее квалифицированных кадров. При выборе проектов с высокой коммерческой результативностью стало выгодным использовать так называемый «анализ с учетом заданных ограничений». Это позволяет существенно сократить сроки реализации проекта (в среднем с 7-10 до 2-4 лет) и повысить вероятность успеха до 80 %. Понятие «заданные ограничения» включают потенциальную возможность успешной продажи продукта и получения прибыли, увеличения годового производства, конкурентоспособность продукта, потенциальный риск с позиций сбыта, возможности перестройки производства с учетом новых достижений и т.д. Ежегодные общие государственные расходы США на генно-инженерные и биотехнологические исследования составляют миллиарды долларов. Инвестиции частных компаний существенно превосходят эти показатели. Только на создание диагностических и противоопухолевых препаратов ежегодно выделяется несколько миллиардов долларов. В основном это следующие направления: методы рекомбинации ДНК, получение гибридов, получение и применение моноклональных антител, культуры тканей и клеток. В США стало обычным, когда компании, не связанные ранее с биотехнологией, начинают приобретать пакеты акций действующих компаний и строить собственные биотехнологические предприятия (табл. 1.1). Это, например, практика таких химических гигантов, как Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Около 250 химических компаний имеют в настоящее время интересы в области биотехнологии. Так, у гиганта химической индустрии США — компании De Pont есть несколько биотехнологических комплексов стоимостью 85-150 тыс. дол. со штатом 700-1 000 чел. Подобные комплексы созданы в структуре Monsanto, более того, в настоящее время до 75 % бюджета (свыше 750 млн дол.) направляется в сферу биотехнологии. В сфере внимания этих компаний — производство генно-инженерного гормона роста, а также ряда генно-инженерных препаратов для ветеринарии и фармакологии. Кроме этого, фирмы совместно с университетскими исследовательскими центрами подписывают контракты на проведение совместных НИОКР.

Таблица 1.1. Крупнейшие концерны и фармацевтические фирмы США, производящие медицинские биотехнологические препараты Расширение масштаба производства в биотехнологии.

Существует мнение, что все необходимые условия для становления и развития биотехнологии в США подготовил венчурный бизнес. Для крупных фирм и компаний венчурный бизнес является хорошо отработанным приемом, позволяющим за более короткий срок получить новые разработки, привлекая для этого мелкие фирмы и небольшие коллективы, нежели заниматься этим собственными силами. Например, в 80-е гг. General Electric с помощью мелких фирм стал осваивать производство биологически активных соединений, только в 1981 г. его рисковые ассигнования в биотехнологии составили 3 млн дол. Риск с участием мелких фирм обеспечивает крупным компаниям и корпорациям механизм отбора экономически оправданных нововведений с большими коммерческими перспективами. Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

Опубликовал Константин Моканов

  • Роль биотехнологии в современном мире Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на и… Проблемы и методы биотехнологии
  • Трансгенные животные: технологии получения В отличие от растений, где существует возможность получения целого фертильного растения из одной трансформированной соматической клетки и вегетативное размноже�… Проблемы и методы биотехнологии
  • Клональное микроразмножение растений В природе существует два способа размножения растений: половой (семенной) и вегетативный. Эти способы имеют свои преимущества и недостатки. К недостаткам семе�… Проблемы и методы биотехнологии
  • Примеры биотехнологических процессов Исторически наиболее ранними и широко распространёнными способами биотехнологии являются бродильные процессы. В качестве примера брожения можно привести схему �… Проблемы и методы биотехнологии
  • Новейшие достижения в области биотехнологии Несмотря на то что в настоящее время препараты и продукты, получаемые в процессах промышленной («белой») биотехнологии, главенствуют на рынке биотехнологичес�… Проблемы и методы биотехнологии
  • Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств Биотехнологическим процессом называют синтез какого — либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выд�… Проблемы и методы биотехнологии
  • История развития биотехнологии Биотехнология (от греч. bios жизнь, techne искусство, мастерство и logos слово, учение) — это получение полезных для человека продуктов, в процессе которого используетс�… Проблемы и методы биотехнологии

Лекция №13 І. Тема: Масштабирование биотехнологических процессов. Принципиальная технологическая схема биотехнологического производства целевых продуктов

Лекция № 13

І. Тема: Масштабирование биотехнологических процессов. Принципиальная технологическая схема биотехнологического производства целевых продуктов.

ІІ. Цель: Ознакомить студентов с принципами масштабирования и этапами биотехнологических процессов, принципиальной технологической схемой биотехнологического производства целевых продуктов.

  • ІІІ. Тезисы лекции:
  • Основные этапы биотехнологического процесса
  • Общая характеристика

Процесс биотехнологического производства фармацевтических препаратов состоит из определенного количества составляющих (рис.9) и имеет разную степень сложности. Его сложность обусловлена слагаемыми конкретного биотехнологического процесса, которые варьируют в зависимости от продуцента – биообъекта (микроорганизма, растения, млекопитающего и др.), и зависит от целевого конечного продукта. Если целевым продуктом является биомасса (например, живые клетки молочнокислых бактерий), то технологическая линия короче; если это субстрат для производства высокоочищенных инъекционных препаратов, то схема производства сложнее (технологическая линия длиннее). Если же Источником целевого продукта является микроорганизм (например, при производстве антибиотиков), то для его культивирования обязательны асептические условия, соответствующие оборудование и специальная подготовка к проведению процесса.Свои особенности имеет биотехнологическое производство, основанное на использовании микроорганизмов-рекомбинантов, которое требует усиленного контроля за стабильностью продуцента, и, кроме того, тщательного и постоянного соблюдения мер, предотвращающих возможность попадания этого биообъекта в окружающую среду. Такие меры предусматривают использование специального оборудования и соблюдения определенных правил, относящихся непосредственно к технологическому режиму. Общая (принципиальная) технологическая схема получения продуктов микробиологического синтеза состоит из ряда основных (ОТС) и вспомогательных технологических стадий (ВТС):ВТС – 1. Подготовка культуральной среды: составление композиции питательных веществ (витаминов, микроэлементов, углерода, азота, солей и др.) и стерилизация.ВТС – 2. Подготовка посевного материала (осуществляется в инокуляторе).ОТС – 1. Культивирование (ферментация) биообъекта-продуцента.ОТС — 2. Отделение биомассы от культуральной жидкости (осуществляется фильтрованием, центрифугированием, сепарированием).Если целевой продукт содержится, в основном, в биомассе, то в дальнейшем идет переработка биомассы (1-й путь). Обычно в биомассе содержатся липиды, фосфолипиды, некоторые витамины, белки и др. Тогда в культуральной жидкости целевой продукт содержится в незначительных количествах и его выделение становится нерентабельным.Если биосинтезируемый целевой продукт секретирует (переходит) из клеток во время ферментации, в основном, в культуральную жидкость (биосинтез внеклеточных продуктов), то в дальнейшем идет именно ее переработка (2-й путь). Обычно в культуральную жидкость из клеток выделяются антибиотики, ферменты и др. Тогда в биомассе содержание целевого продукта незначительное и проведение работ по его выделению становится нерентабельным.

  1. ^
  2. 2-й путь. Обработка культуральной жидкости:
  3. ^
  4. ^
  5. — на косом агаре при температуре минус 1-50С;
  6. — замороженными при температуре ниже – 20 0С (недопустимо повторное оттаивание и замораживание);
  7. Большинство культур клеток млекопитающих, в том числе и клеток человека, удается сохранить неопределенно долгое время замороженными в специальной среде при температуре- 1800С.
  8. ІV. Иллюстративный материал: прилагается
Читайте также:  Неосложненные нарушения ритма сердца. Фармакотерапия антиаритмических препаратов.

ОТС – 3. Разрушение клеток микроорганизмов для выделения внутриклеточных целевыхпродуктов с их одновременным экстрагированием, то есть разрушение клеточных стенок идет в среде экстрагента. Осуществляется следующими способами:а) дезинтеграция (механическая, ультразвуковая);б) ферментативный лизис;в) химический лизис.ОТС – 4. Отделение экстракта (центрифугирование, сепарирование, мембранная фильтрация).ОТС – 5. Выделение и очистка целевого продукта из экстракта с помощью различных методов (этерификация, высаливание, чаще хроматографические методы: колоночная адсорбция и др.)ОТС – 6. Стандартизация целевого продукта.ОТС – 7. Приготовление лекарственной формы (таблеток, инъекционных растворов в ампулах, стерильных порошков во флаконах и др.).ОТС – 3. Концентрирование целевых продуктов в культуральной жидкости (ультрафильтрация, ионообменная хроматография, диализ).ОТС – 5. Выделение и очистка целевого продукта из экстракта с помощью различных способов (этерификация, высаливание, чаще хроматографические методы: колоночная, тонкослойная, ионообменная адсорбция и др.).ОТС – 6. Стандартизация целевого продукта.ОТС – 7. Приготовление лекарственной формы (таблеток, инъекционных растворов и др.).На стадии ОТС – 4 (1-й путь) либо на стадии ОТС – 3 (2-й путь) для отделения раствора целевого продукта широко применяется мембранная фильтрация (или ультрафильтрация).Важную роль при очистке и выделении целевых продуктов играют хроматографические методы. При этом применяют:а) гель-фильтрацию или эксклюзивную хроматографию;б) ионообменную хроматографию;в) обращенно-фазовую или гидрофобную хроматографию;г) аффинную или лигандную хроматографию (наиболее перспективные методы).Несколько подробнее об особенностях вышеуказанных процессов. Периодическое культивирование включает: а) стерилизацию сред и всего оборудования; б) загрузку биореактора питательной средой; в) внесение посевного материала (клеток или спор); г) выращивание культуры (это может совпадать во времени с последующим этапом или предшествовать ему); д) синтез целевого продукта; е) отделение и очистку готового продукта.Все этапы представлены во временном аспекте; после окончания последнего этапа производится мойка биореактора и подготовка его к новому циклу. Штаммы микроорганизмов для производства биологических препаратов поступают в ампулах, где они законсервированы в виде чистых культур. Каждая культура имеет паспорт с описанием питательных сред, морфологических, физиологических и других характеристик, условий для их поддержания, выращивания и срока хранения. Режим хранения культур предполагает охлаждение, замораживание или обезвоживание; во всех случаях должен быть резко сокращён или полностью прекращён клеточный обмен веществ. Культуры штаммов хранят:- лиофилизированными в ампулах, хранящимися в течение нескольких лет.Через определённое время, специфическое для каждого вида микроорганизмов и вида хранения, культуру пересеивают.Перед началом технологического процесса культуру размножают в стерильных условиях при оптимальном составе питательной среды и режиме выращивания, длительность стадии выращивания -24 ч.Многоэтапное выращивание посевного материала – обязательный принцип биотехнологического производства. Среда для выращивания посевного материала обычно не совпадает по составу с ферментационной средой, т.е. при выращивании посевного материала среда может быть обогащена для быстрого роста биомассы.V. Литература:

основная:

  1. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Изд. центр «Академия», — 2008. – 208 с.
  2. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций. – Минск.: БГУ, 2002. — 105 с.
  3. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: Учебное пособие. – М.: Изд. Центр «Академия». – 2006. – 256 с.
  4. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. – Учебное пособие. – Под ред. акад. РАМН В.А. Быкова, проф. А.В Катлинского. – М. : ГЭОТАР-Медиа 2009. – 384 с.
  5. Елинов Н.П. Химическая микробиология. — Учебник. — М.: Высшая школа. — 1989, 448 с
  6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. — Учебное пособие. — М.: Изд-во МГУ. — 1989, 294 с.
  7. Биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. — М.: Мир. — 1988, 480 с.
  8. Чуешов В.И., Зайцев А.И., Шебанова С.Г. Промышленная технология лекарств. Том 2. Харьков, 2002.
  9. Биотехнология микробного синтеза (Под ред. Бекера М.Е.) – Рига – 1980.
  10. Биотехнология. (Отв. редактор А.А. Баев). — М.: Наука. — 1984, 310 с.
  11. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов. М., — 1979 г.
  12. Промышленная микробиология (Под ред. Егорова Н.С.) – М., 1989 г.
  13. Процессы и аппараты химической технологии (Под ред. П.Г. Романкова). – Л. – 1981.

дополнительная:

  1. Березов Т.Т. , Коровкина Б.Ф. – Биологическая химия (Под ред. И.М. Ивановой) – М., Медицина – 1981 г.
  2. Никитин Г.А. – Биохимические основы микробиологических производств – Киев, 1981.
  3. Бриттон Г. – Биохимия природных пигментов. М., Мир – 1986 г.
  4. Попова Т.В. – Развитие биотехнологии в СССР – М., Наука — 1988 г.
  5. Популяционные аспекты биотехнологии – Печуркин Н.С., Брильков А.В., Маркенкова Т.В. – Новосибирск: — Наука – 1990 г.
  6. Специальные журналы: «Биотехнология», «Фармация Казахстана», «Фармацевтический бюллетень» и др.

VІ. Контрольные вопросы (обратная связь):

  1. Общая характеристика биотехнологического производства.
  2. Как получается целевой продукт из культуральной жидкости?
  3. Как готовится посевной материал?

Принцип масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные и промышленные установки

Масштабирование — это воспроизведение результатов, полученных на оборудовании одного размера (или одной конструкции), при проведении того же процесса в аппаратах другого (обычно большего) размера или другой конструкции.

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5-100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000-1000000 л и более (промышленные).

На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) — масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) — решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации. Лабораторные ферменторы по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы.

Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием. По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных системтеплообмена и стерилизации.

Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок. С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:

1) кинетические — определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;

2) некоторые массообменные — расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);

3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.

Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном

масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов.

При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940-1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков. Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.

Масштабирование как закон перехода от лаборатории к производству

   Масштабирование — это воспроизведение результатов, полученных на оборудовании одного размера (или одной конструкции), при проведении того же процесса в аппаратах другого (обычно большего) размера или другой конструкции.

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно в лабораторных, пилотных и промышленных установках. На каждом этапе используются ферментеры различных объёмов: на лабораторном этапе – от 0,5 до 100 литров, на пилотном этапе – от 100 до 5000 литров, на промышленном этапе – от 5000 до 1000000 литров.

На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) — масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) — решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.

Лабораторные ферментеры по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием. По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории.

К первой относятся лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах.

Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок. С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:

  • 1) кинетические — определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;
  • 2) некоторые массообменные — расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);
  • 3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.
Читайте также:  Разорвавшаяся аневризма брюшной аорты. Атипичное течение аневризмы аорты.

Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов.

При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940-1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.

Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов.

Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.

Элементы, слагающие биотехнологию. Особенности процессов наращивания биомассы, а также очистки продукта.

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется революционными изменениями в биологии, которая становится лидером естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии, математики, кибернетики и др.), системные подходы.

Бурное развитие комплекса наук биологического профиля с расширением практической сферы их применения обусловлено также социально-экономическими потребностями общества.

Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий. Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии, в рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем и процессов в различных сферах человеческой деятельности. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных разделов следующие:

  1. — Промышленная микробиология.
  2. — Медицинская биотехнология.
  3. — Технологическая биоэнергетика.
  4. — Сельскохозяйственная биотехнология.
  5. — Биогидрометаллургия.
  6. — Инженерная энзимология.
  7. — Клеточная и генетическая инженерия
  8. — Экологическая биотехнология.
  9. В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.
  10. На предферментационной стадииосуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха.

Стадия ферментацииявляется основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов).

Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами.

Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая незащищенная ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды).

  • Постферментационная стадияобеспечивает получение готовой товарной продукции и также, что не менее важно, обезвреживание отходов и побочных продуктов.
  • Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является разделение культуральной жидкости и биомассы – сепарация. Существуют различные методы сепарации:
  • 1) флотация, если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости;
  • 2) фильтрация на пористой фильтрующей перегородке;

3) центрифугирование. Метод основан на осаждении взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Ценрифугирование требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование.

Поэтому оно оправдывает себя, если: а) суспензия фильтруется медленно; б) поставлена задача максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся частиц; в) необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие.

Центрифугирование и фильтрация в некоторых производственных процессах реализуются в комбинации – речь идет о фильтрационных центрифугах. Широко применяют центрифуги, где разделение жидкой и твердой фаз не связано с фильтрацией и основано лишь на центробежной силе.

Следующим этапом получение целевого продукта является разрушение клеток. Разрушение клеток (дезинтеграцию) проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами.

Наибольшее индустриальное значение имеет физическое разрушение: ультразвуком; с помощью вращающихся лопастей или вибраторов – метод, обычно используемый в пилотных и промышленных установках; встряхиванием со стеклянными бусами; продавливанием через узкое отверстие под высоким давлением; раздавливанием замороженной клеточной массы; растиранием в ступке; осмотическим шоком; замораживанием – оттаиванием; сжатием клеточной суспензии с последующим резким снижением давления (декомпрессия).

За дезинтеграцией клеток следует этап отделения фрагментов клеточных стенок. Используют те же методы, что и при сепарации клеток: центрифугирование или фильтрацию.

Однако применяют более высокоскоростные центрифуги и фильтры с меньшим диаметром пор (часто мембранные), чем при сепарации клеток.

В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасывают, как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта.

09. Масштабирование биотехнологических процессов

Важное место в биотехнологических производствах занимает масштабирование ферментаций, т. е. культивирование микроорганизмов в промышленных условиях (ранее говорилось о лабораторных исследованиях).

Известно, что процесс, идущий в лабораторных условиях, в масштабах крупного производства может протекать неэффективно (если вообще существует такая возможность).

В лаборатории для биотехполога важен высокий выход продукта на массу биомассы в единицах на 1 мл культуральной жидкости или за единицу времени, при переходе же к промышленным условиям приоритетной становится задача максимального выхода продукта при минимальных энергетических (и других) затратах и времени. Значительная часть исследований в биотехнологии посвящена масштабированию при аэробных ферментациях, поскольку именно с этими процессами связаны сложные проблемы, касающиеся перемешивания и массопереноса.

Культивирование микроорганизмов в промышленных условиях — сложный процесс, зависящий от:

  • числа генераций микроорганизма;
  • способов культивирования;
  • стерилизации среды и воздуха;
  • перемешивания и аэрации;
  • переноса тепла;
  • стабилизации культуры.

Рассмотрим подробнее все эти факторы.

Число генераций. Число генераций — это время, необходимое для достижения нужной конечной концентрации биомассы в объеме ферментера.

Стерилизация. В биотехнологических производствах стерилизуют среды, входящий и выходящий воздух, а также оборудование биореактора для предотвращения заражения культуры во время ферментации. Для сред чаще всего используют тепловую стерилизацию, полнота которой зависит от:

  • вида микроорганизма,
  • состава среды,
  • значения pH,
  • размера суспендированных частиц.

В лаборатории она легко достигается при автоклавировании в течение короткого периода времени. В производственных масштабах большие объемы сред (от 10 до 50 тыс. л) требуют большего времени для этой процедуры, что приводит к ухудшению их свойств. В настоящее время применяют непрерывную тепловую стерилизацию, где среда нагревается до 150 °С за несколько минут.

Перемешивание и аэрация. Для максимального выхода продуктов важными факторами являются:

  • оптимальная температура культивирования,
  • концентрация растворенного 02,
  • одинаковый уровень pH в разных частях реактора, которые зависят от хорошего перемешивания.

Аэрация выполняет две функции:

  • обеспечение кислородом,
  • удаление С02 и других летучих метаболитов из культуральной жидкости.

Перенос тепла. Культивирование микроорганизмов осуществляется при определенной температуре, и это требует поддержания теплового баланса в ферментере. К параметрам, которые используют в качестве критериев при масштабирован, относят:

  • постоянство потребления энергии на единицу питательной среды;
  • сохранение (по сравнению с лабораторными условиями) той же объемной скорости переноса кислорода.

Дополнительным критерием может служить скорость мешалки.

процессов

Технология любого производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках.

Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000 л и более (промышленные).

На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.

Лабораторные ферментеры по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных условиях наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием. По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории.

К первой относятся лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах.

Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок. С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:

  • 1) кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;
  • 2) некоторые массообменные – расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2 и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);
  • 3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.

Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирования промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов.

При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что даже при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться — ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.

Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменятьи конструкцию, и подбирать режимы работы аппаратов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector