Микробиологическое производство лекарственных средств

Однако этот способ культивирования не позволяет в полной мере реализовать способности микроорганизмов к безграничному размножению. Период самой активной жизнедеятельности — логарифмическая фаза занимает лишь небольшую часть производственного цикла, а значительная часть уходит на лаг-фазу и период замедленного роста.

Периодическое культивирование предполагает существование клеток микроорганизмов в постоянно меняющихся условиях. Концентрация источников питания и продуктов жизнедеятельности — регуляторы скорости роста микроорганизмов. Постепенным введением питательных веществ в течение всего процесса можно избежать ингибирования роста микроорганизмов. Такой метод получил название культивирования микроорганизмов с дробным дозированием субстрата.

При добавлении питательной среды в процессе культивирования происходит изменение ее объема. С целью сохранения его постоянства и снижения концентрации микробных метаболитов часть культуральной жидкости можно через определенные промежутки времени удалять из аппарата и добавлять равное количество питательной среды. Такой периодический метод получил название объемно-доливного. При этом основные параметры процесса — объем, скорость разбавления, удельная скорость роста — не являются постоянными.

Модификацией периодического культивирования является культивирование с диализом, при котором питательный субстрат постоянно поступает в реактор через специальную мембрану. Диализ ведет к снижению концентрации продуктов жизнедеятельности клеток, неблагоприятно влияющих на их жизнедеятельность. Помимо этого, диализ удаляет из культуры часть жидкости, что позволяет получать в конце процесса концентрированную биомассу.

Все варианты периодического культивирования с дробным дозированием субстрата дают возможность несколько увеличить время пребывания на одной из фаз развития. Однако добиться стабильности физиологического состояния клеток в периодических процессах невозможно.

Непрерывный метод культивирования. Этот способ выращивания заключается в непрерывной подаче питательных веществ в ферментатор в таком количественном и качественном соотношении, которое необходимо для поддержания микроорганизмов в экспотенциальной фазе. При этом клетки непрерывно и однородно размножаются со скоростью, соответствующей притоку питательных веществ. Основным принципом непрерывных процессов является точное соблюдение равновесия между приростом биомассы вследствие деления клеток и их убылью в результате разбавления содержимого свежей средой.

В настоящее время метод непрерывного культивирования микроорганизмов получил глубокое теоретическое обоснование и широкое практическое применение можно классифицировать по принципам действия системы непрерывного культивирования. Классифицируются на открытые и закрытые. Главное различие между ними в том, что в открытых — клетки постоянно вымываются вытекающей средой со скоростью образования в системе новых клеток. А в замкнутой системе клетки в какой-то мере задерживаются в системе, их количество возрастает. Открытой одноступенчатой гомогенно-непрерывной системой называется система, состоящая из одного биореактора с постоянной подачей питательной среды и отводом культуральной жидкости. За счет интенсивного перемешивания состав среды во всех точках аппарата поддерживается гомогенным, благодаря чему микробные клетки пребывают в одинаковом физиологическом состоянии.

При гомогенно-непрерывном культивировании рост культуры можно ограничить одним элементом питания при нелимитируемых количествах остальных. Эта система известна как хемостат, так как рост микроорганизмов регулируют химические факторы среды.

Максимальная скорость роста может быть достигнута турбидостатным культивированием (турбидостат), при котором контроль процесса осуществляется по концентрации клеток микроорганизмов. Контроль осуществляется с использованием системы фотоэлементов, скорость потока свежей питательной среды также регулируется специальным устройством. При превышении заданной концентрации клеток срабатывает фотоэлемент и включается поток свежей питательной среды, благодаря чему концентрация клеток снижается.

Некоторые микроорганизмы хорошо развиваются на границе жидкой и газовой фаз или жидкой и твердых фаз. При этом они образуют плотные пленки, а свежая питательная среда протекает вдоль слоя культуры. Такие замкнутые системы с выращиванием клеток в промежуточной фазе применяют для культур, чувствительных к перемешиванию, а также для культивирования плесневых культур, продуцирующих пенициллин, лимонную кислоту, ферменты.

Сравнительная оценка поверхностного и глубинного методов выращивания микроорганизмов позволяет отметить преимущества и недостатки каждого из них. При поверхностном культивировании основным сырьем являются отруби, лузга, пивная дробина, свекловичный жом, картофельная мезга и кукурузная кочерыжка. Высота слоя среды 2−5 см. В цехе, где получают 1 т поверхностной культуры в сутки, на двое суток нужно более 1000 кювет. Мойка, стерилизация и перемещение их — основная трудность этого метода. Почти все технологические этапы при этом осуществляются вручную. Однако этот метод сохраняет свое значение при производстве некоторых биотехнологических продуктов, например, технических ферментов. Это определяется следующим:

— Концентрация образующихся ферментов при поверхностном культивировании во много раз выше, чем в фильтрате глубинных культур. Для осахаривания 100 кг крахмала требуется 5 кг поверхностной культуры плесневых грибов или 10л глубинной культуры при одинаковой биохимической характеристике штамма.

— Возможность быстрого и относительно легкого высушивания поверхностной культуры без заметной потери активности ферментов. Сухие культуры легко транспортируются и широко применяются в спиртовой промышленности и при силосовании.

— Меньшие затраты на электроэнергию по сравнению с глубинным методом. Среди особенностей глубинного способа культивирования необходимо выделить:

— возможность использования одной и той же питательной среды для посевной и производственной культуры (сокращение лаг-фазы).

— биосинтез ферментов у грибов при непрерывной подаче воздуха и перемешивании в течение 2−4 сут.

Выделение продукта из культуральной жидкости Для выделения целевого продукта из культуральной жидкости путем осаждения используют сепараторы, осадительные центрифуги, фильтр-прессы, вакуум-барабанные фильтры или отстойники. Иногда биомассу осаждают добавлением электролитов, надосадочную жидкость декантируют. После центрифугирования биомассу получают в виде густой жидкости или пасты 75−90% - ной влажности, Клеточную массу промывают, фильтруют, сушат, гидролизуют, экстрагируют из нее нужный продукт.

Если метаболит находится в растворе, биомассу используют после отделения как побочный продукт, а нужное вещество выделяют из раствора различными методами: экстракцией, хроматографией, фильтрацией, кристаллизацией, осаждением. Антибиотики выделяют, осаждая в виде малорастворимых солей из водного раствора, где они предварительно максимально концентрируются путем экстракции или ионообменным путем, а также высушивая водные растворы лиофилизацией или в сушилках распылительного типа.

Асептика, антиконтаминационная защита в биотехнологии Микробиологическое производство принципиально отличается от производств химической технологии, что в технических системах присутствуют живые организмы, предъявляющие особые требования к этим системам. Это, прежде всего комплекс параметров жизнеобеспечения и создание оптимальных условий для развития популяции продуцента, сохранение ее стабильности и продукта, который она синтезирует. Герметизация оборудования, стерильность обеспечивает стандартность и качество микробиологических препаратов.

Контаминанты нарушают нормальный рост и развитие микроорганизмов — непроизводительно расходуется питательная среда, снижается качество целевого продукта. Контроль качества сред необходимо проводить до и после стерилизации. Для успешного функционирования микробиологического производства необходимо решение двух взаимосвязанных задач: защита технологического процесса от загрязнения контаминантами — посторонней микрофлорой и защита окружающей среды от микроорганизмов, используемых в данном производстве или продуктов их жизнедеятельности.

1. В. В. Бирюков. Основы промышленной биотехнологии.

М., 2004 г.

2. Фармацевтическая микробиология. Словарь терминов / В. И. Кочеровец, В. А. Галынкин, Н. А. Заякина.- M., 2004 г.

3. Б. Глик., Дж. Пастернак. Молекулярная биотехнология: принципы и применение.

М., 2002 г.

4. В. В. Юшков, Т. А. Юшкова, А. В. Казьянин. Иммунокорректоры.

Екатеринбург, 2002 г. — 230 с.

5. А. М. Безбородов. Основы биотехнологии микробных синтезов. М., 1989 г.

6. Н. П. Елинов. Основы биотехнологии. «Наука» — СПб., 1995 г.

В.В. Бирюков. Основы промышленной биотехнологии.

М., 2004 г. 15 с.

1 В. В. Юшков, Т. А. Юшкова, А. В. Казьянин. Иммунокорректоры.

Екатеринбург, 2002 г. — 157 с.

1 Н. П. Елинов. Основы биотехнологии. «Наука» — СПб., 1995 г. — 35 с.