Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости, как правило, очень низкое. После стадии культивирования микроорганизма-продуцента следующим технологическим этапом является выделение и очистка конечного продукта из культуральной жидкости. Большинство микроорганизмов-продуцентов биологически активных веществ накапливают основную часть синтезируемых ими продуктов в культуральной жидкости.

Осаждение взвешенных частиц происходит под действием центробежной силы. После разделения образуется 2 фракции: биомасса (твердая) и культуральная жидкость. Они позволяют проводить предварительную очистку культуральных жидкостей в более мягких условиях по сравнению с обработкой неорганическими электролитами или тепловой обработкой.

При выделении ферментных препаратов к стадии предварительной обработки культуральной жидкости относится процесс осаждения нуклеиновых кислот. В эту фазу скорость размножения и отмирания клеток одинаковая. Целевым продуктом биосинтеза могут быть непосредственно сами микроорганизмы, либо их метаболиты, растворенные в культу­ральной жидкости или находящиеся внутри клеток микроорганизмов.

Продукты микробного синтеза поступают из биореактора в виде водных суспензий или растворов, при этом характерно невысокое содержание основного компонента и наличие многих примесных веществ. Жидкость далее также подвергается переработке, если содержит метаболиты, представляющие практическую ценность. В дальнейшем биомассу, снятую с фильтра, подвергают прессованию и получают продукт с высоким содержанием живых клеток, имеющих высокую хлебопекарную активность.

Поэтому дрожжи, растущие на углеводородах, а также бактерии-продуценты белка на основе метана и метанола, на первом этапе сепарируются, причем в несколько ступеней. Оставшаяся вода удаляется путем выпаривания, а все компоненты жидкой фазы остаются в конечном продукте. Отделение твердой фазы (мелкодисперсный клеточный материал, внутриклеточные биополимеры возможно и методом фильтрации.

Химические и химико-ферментативные методы более избирательны. При твердожидкофазной экстракции вещество из твердой фазы переходит в жидкую, при жидкожидкофазной – из одной жидкости в другую (например, хлорофилл из спиртовой вытяжки переходит в бензин). Для извлечения антибиотиков, витаминов, каротиноидов, липидов применяют жидкожидкофазную экстракцию, когда культуральную жидкость смешивают с органическими растворителями. Процесс выделения и очистки представляет собой ряд последовательных технологических операций, количество которых возрастает с повышением желаемой чистоты конечного продукта.

Для выделения и очистки метаболитов применяются экстракционные и ионообменные методы. Для отделения микробной массы от культуральной жидкости применяют фильтр-прессы, сепараторы, вакуум-фильтры, центрифуги различной производительности (рис. 2.20-2.23). Если при сепарировании в растворе остается до 50-70% неотделившейся взвеси, то фильтрация позволяет полностью отделить примеси. В последнее время для выделения, очистки и фракционирования физиологически активных веществ широко используются полимерные соединения — флокулянты.

Основные принципы промышленной организации биотехнологических процессов

При обработке культуральной жидкости флокулянтами исключается применение хлорида кальция, на 15-20% сокращается расход тринатрий-фосфата. Химические способы предназначены в основном для выделения суммарных белков пищевого назначения и не нашли широкого распространения в микробиологической промышленности. Биологические способы. Относятся к наиболее мягким способам разрушения клеточной оболочки и выделения внутриклеточных метаболитов.

Раздел «Промышленная биотехнология»

С помощью иммобилизованных на коллагеновых пленках лизирующих ферментов из Streptorayces sp. можно разрушить клеточные стенки высушенных и интактных живых кормовых, хлебопекарных и пивных дрожжей.

Кроме того, в эту фазу происходит наивысшее накопление микробной массы в единице объёма. Концентрация живых клеток в эту фазу достигает максимума, и она называется М-концентрацией. В этой фазе сама биомасса микроорганизмов и про­дукты их биосинтеза обладают наибольшей биотехнологической цен­ностью. Причинами отмирания микробной популяции являются истощение среды и накопление в ней большого количества токсических продуктов метаболизма.

В настоящее время интерес к непрерывно­му культивированию растёт как в нашей стране, так и за рубежом. Всё это свидетельствует о том, что периодические процессы в бу­дущем будут применяться. В крупномасштабном производстве используют метод выращива­ния суспензионных клеточных культур. Этот метод впервые описал в 1953 г. Оуенс. Он показал способность клеток размножаться в жидкой среде в свободном суспендированном состоянии.

Клетки снимают со стекла с помощью растворов Версена и трипсина. Это делается для того, чтобы поддерживать клетки во взвешенном состоянии, препятст­вовать их осаждению и прикреплению к стенкам сосуда и в то же вре­мя не вызывать их механического повреждения. Способ суспензионного выращивания клеток в биологической про­мышленности стал применяться сравнительно недавно. Выращивание клеточных культур осуществляют в специальных ре­акторах емкостью 1000 и более литров при температуре 36-37° С, рН 7,4 и непрерывном перемешивании суспензии клеток при 300-350 об/мин.

Наступление этой фазы обусловлено истощением питательной среды и накоплением в культуральной жидкости токсических веществ, которые начинают ингибировать развитие культуры. Неутилизированные компоненты культуральной жидкости могут отразиться на способности продукта к хранению. В большинстве промышленных производств на первом этапе переработки культуральной жидкости производят отделение массы продуцента от жидкой фазы – сепарацию.