Сегодня биотехнология в пищевой промышленности развивается стремительными темпами. В повседневной жизни мы постоянно пользуемся продуктами, произведенными с помощью биотехнологических процессов. Наиболее часто используют молочнокислую и алкогольную продукцию - йогурты, закваски, кефиры, сыры, пиво, вино, а также хлебобулочную и т. д. Данные изделия приготовлены с помощью ферментов, которые образуют специально культивированные микроорганизмы. В наши дни применение пищевой биотехнологии позволяет производить новые виды продукции понижая затраты на производство, что является стимулирующим фактором развития пищевой промышленности. При этом значительно улучшается качество сельскохозяйственных и продуктов животного происхождения, а их полезность и безопасность повышается в разы.
Пищевая биотехнология включает в себя все технологические процессы, направленные на создание, оптимизацию или улучшение определенных характеристик и свойств живых организмов (бактерий, растений и животных). Она имеет практическое применение в научной сфере, биологии, экологии, сельском хозяйстве, здравоохранении, производстве продуктов и т. д.
Пожалуй, самое основное призвание биотехнологии в пищевой промышленности - оптимизация традиционных методик по изготовлению вина, этанола, сыра, хлеба, а также продуктов где активную роль принимают различные микроорганизмы, успешно культивируемые человеком для извлечения определенной пользы. Причем на данный момент все используется осознанно, с пониманием того, что делается. Такой подход ведет к активному применению биотехнологических методов во многих отраслях пищевой промышленности. Для изучения биотехнологии и внедрения инноваций образованы научно-исследовательские институты, занимающиеся данной сферой. Их деятельность направлена на поиск и улучшение различных механизмов и методов, способствующих улучшению получаемых продуктов, например, получению активных ферментов, заквасок, естественных красителей, пищевого протеина, ароматизаторов, эмульгаторов и еще многих полезных человеку продуктов.
Для обеспечения нормального функционирования человеческого организма необходимо использование пищевых добавок, внесение в пищу незаменимых аминокислот, различных витаминов, микроэлементов, протеинов, клетчатки и т. д. Создание новых лекарств, например, инсулина, увеличение сроков хранения продуктов, повышение их питательной ценности, изменение консистенции, насыщение пищи полезными бактериями и микроорганизмами для улучшения пищеварения и усваивания потребленной еды - всё это достигается благодаря пищевой биотехнологии. Промышленная биотехнология занимает важное место в жизнедеятельности человека потому, что с каждым днем возрастает потребность в создании новых лекарств и биологических добавок.
Увеличение численности людей на планете заставляет ученых искать новейшие направления в науке. Сегодня без биотехнологических инноваций невозможно представить существование промышленности. В животноводческом хозяйстве используются генномодифицированные организмы, в медицине получают лекарства для борьбы с заболеваниями, даже таких сложных, как онкологические. Новая биология всё больше уделяет внимание изучению микроорганизмов и их жизнедеятельности, поскольку они приносят очень много пользы и человечеству, и природе. С каждым годом биотехнологическое производство будет развиваться в еще больших масштабах и можно смело сказать, что биотехнология - это современная наука, которая способна к лучшему изменить мир.
Биотехнология в пищевой промышленности
Последние данные обнародованные ООН о количестве продовольствия и выработке продуктов сельского хозяйства показывают, что существует реальная проблема обеспечения человечества продуктами питания. Около половины населения не обеспечивается должным количеством пищи, примерно 500 миллионов людей голодают, 1/4 людей Земли питается недостаточно. Сегодня численность человек планеты составляет 7,5 миллиарда, таким образом, если не принять необходимых мер для повышения качества и количества продукции, то проблема нехватки пищи для народов развивающихся стран может иметь губительные последствия
Еда, которая принимается должна быть разнообразной, обогащенной необходимыми протеинами, липидами и углеводами, а также содержать все необходимые витамины и микроэлементы. Липиды и углеводы являются веществами, из которых клетки организма производят энергию, они ее также могут вырабатывать из белковой пищи, но если первые и вторые вещества можно заменить, то найти замену белку на данный момент невозможно.
Современные исследования показывают, что около 15 млн тонн белка ежегодно не хватает для обеспечения полноценного питания человечества. Самым большим источником белка сегодня являются масличные культуры. Соя и подсолнечник содержат около 30% полезных растительных белков, а их незаменимые аминокислоты крайне важны для жизнедеятельности человеческого организма. По содержанию некоторых аминокислот данные растительные белки можно сравнить с рыбным или птичьим белком. Соевая продукция широко используется в Соединённых Штатах Америки, Англии, и в развитых странах Европы, где этот белок, благодаря биотехнологическим процессом, стал очень ценными питательным продуктом.
Методика микробиологического синтеза позволяет применять в качестве источника протеина морские водоросли. Именно на эту особенность в последнее время обратили взгляд ряд ученых занимающиеся проблемами биотехнологии пищевой промышленности. Дело в том, что микроскопические водоросли способны очень быстро размножаться, а белок составляет примерно 70% от их собственного сухого веса. Подобные микроорганизмы способны синтезировать белок в 100 раз быстрее нежели это делают животные. Для примера корова весом около 400 килограмм способна в сутки вырабатывать 400 грамм чистого белка, в то время как 400 кг бактерий за это же время, синтезируют примерно 40 тысяч тонн протеиновых продуктов. Получение такого белка выгодно и менее трудоемко. Если сравнить, что для культивирования бактерий нужны лишь правильно созданные условия в биореакторах, откуда ежедневно можно вынимать большое количество белковой продукции, то сельское хозяйство требует значительных затрат ресурсов и времени. Сюда стоит добавить различные болезни, негативные природные факторы, такие как засухи, заморозки, нехватка или избыток солнечной радиации и так далее.
Современное биотехнологическое производство белковых продуктов построено на том, что формируются специальные белковые волокна, которые пропитываются необходимыми веществами, им предается нужная форма, цвет и запах. Такой подход позволяет заменить практически любой белок и сделать его по вкусу и внешнему виду подобному естественному продукту. Например, все видели на полках супермаркетов красную икру, очень похожую на лососевую, однако она приготовлена из морских водорослей. Так получают различные виды искусственного мяса, напоминающие говяжье и свиное мясо. Можно получать молоко, кисломолочные продукты и т. д. После лабораторной проверки и апробации данная продукция заполняет рынки продвинутых европейских стран: США, Африки и Азии. Например, в Британии ежегодно производится 1500 тонн в год подобной протеиновой продукции, а в Соединенных Штатах сегодня разрешается заменять 20-30% рациона школьников биотехнологическими белками, сделанными из соевого протеина.
Помимо того, что данные изделия могут заменить натуральное мясо, они отличаются некоторыми полезными характеристиками. Например, «растительное белковое мясо» будет обеднено холестерином, что оказывает положительное влияние на кровеносную систему. Данная продукция будет полезна людям, соблюдающим диету, тем кому противопоказан животный белок или жирное мясо, пожилым и людям у которых есть проблемы с пищеварением. Поэтому традиционные продукты можно и нужно заменять биотехнологическими. Такое мясо можно консервировать замораживать и делать с ним всё то, что делают с натуральным продуктом.
Стоит отдельно отметить использование аминокислот, получаемых синтетическим путем. Из двадцати аминокислот которые содержится в белках - восемь являются незаменимыми. Это означает, что человеческий организм не может самостоятельно синтезировать эти аминокислоты. Используя микроорганизмы получают весь спектр аминокислот, вносимых в пищу в виде биодобавок. Они добавляются к растительным кормам сельскохозяйственных животных, что увеличивает их рост и сокращает расходы на содержание, значительно повышая продуктивность ферм.
Компании двух центров биотехнологий - США и Европы - в 2015 году заработали более $133 млрд, а к 2017 году эта число превысит уже $220 млрд. Инвесторы называют биотехнологии самой интересной индустрией для вложений. Обозреватель сайт рассказал об известных биотехнологических компаниях, которые находятся в России, и об инвесторах и фондах, которые вкладывают средства в направление.
Современные биотехнологические проекты выглядят так, словно только что вышли из научно-фантастической книги. Например, американская компания Bioquark планирует оживить 20 клинически мертвых людей (результаты эксперимента будут доступны в апреле 2017 года), южнокорейский стартап Sooam Biotech готов клонировать домашнего питомца за $100 тысяч, а ученый Массачусетского технологического института создал компанию Elysium, которая разрабатывает таблетку, возвращающую молодость.
Цели и достижения этих компаний растиражированы СМИ, и на самом деле их успехи вполне могут оказаться более скромными. Однако инвесторы с особым интересом наблюдают за сферой биотехнологий. «Если бы в мире осталась одна ценная индустрия, я бы хотел, чтобы это были биотехнологии», - партнёр инвестиционного банка Stifel Nicolaus Чад Морганлэндер.
Центрами развития биотехнологий считаются США и Европа. К концу 2015 года в этих регионах было зарегистрировано пять тысяч публичных компаний, в которых работают более 200 тысяч человек, а объём индустрии составляет $350 млрд.
Биотехнологии повсюду - в США, например, более 90% кукурузы и сои являются генномодифицированной. В Европе ГМО запрещены в большинстве стран, но пища для скота также генетически модифицирована. Один из самых известных препаратов инсулина «Актрапид» также делается с помощью генной инженерии. Самым продаваемым биотехнологическим препаратом является «Хумира» (продано на $12 млн в 2014 году), которую используют при артрите.
Обозреватель сайт узнал, какие биотехнологические стартапы существуют в России и чем они занимаются.
Ohmygut
В феврале 2015 года в компанию инвестировал фонд Maxfield Capital. Инвестиции будут использованы для развития продукта, создания сети продаж и защиты интеллектуальной собственности.
Diagnostic Reagents & Devices, DRD
Компания DRD занимается разработкой диагностических устройств гемотестов, которые позволяют определить различные повреждения мозга: ишемический инсульт и черепно-мозговые травмы. Такие тесты можно применять в критических ситуациях, чтобы выяснить степень травмы больного.
В июне компания заняла второе место на международном конкурсе Asian Entrepreneurship Award в Токио и получила 500 тысяч йен ($5 тысяч) и три года бесплатной работы в токийском коворкинге. DRD является резидентом фонда «Сколково».
Экспресс-тесты работают на основе биомаркеров повреждения мозга - это пептиды и антитела к NMDA и AMPA рецепторам. Согласно многочисленным клиническим исследованиям, биомаркеры высоко специфичны и чувствительны к повреждениям мозга ишемического и травматического характера
- основатель DRD Анжей Жимбиев
«Моторика »
У компании по разработке протезов «Моторика» два продукта: тяговый активный протез кисти и миоэлектрический модуль искусственной кисти Stradivary. Первый протез подходит людям с частичными травмами кисти, при которых сохраняется подвижность лучезапястного сустава. Протез одевается сверху на поврежденную кисть.
Модуль Stradivary полностью заменяет поврежденную кисть и выполняет движения, считывая электрический ток, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения. Stradivary даёт возможность пользоваться ложкой, вилкой шариковой ручкой и прочими предметами мелкой моторики. Модуль находится на стадии прототипа и будет готов к испытаниям к ноябрю 2016 года.
Как и в случае с компанией MaxBionic, протез «Моторики» можно получить бесплатно, обратившись к производителю.
Какие фонды поддерживают биотехнологические стартапы
В России немало конференций и инвестиционных фондов, поддерживающих молодые компании и стартапы в сфере биотехнологий. В инновационном центре «Сколково» есть кластер « Биомед », который помогает «проектам инициированные врачами, химиками, биологами, генетиками конвертироваться в успешные бизнесы».
Исполнительным директором кластера биотехнологий «Сколково» является Кирилл Каем. До этого Каем был владельцем собственного бизнеса по дистрибуции медицинского оборудования и фармацевтики. Он также возглавлял холдинг Hygiene Kinetics, который производит целлюлозно-бумажные товары и федеральную сеть клиник «Альфа Групп».
Консалтинговая компания Frost & Sullivan отмечает
Стадии биотехнологического производства
Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение, приводит к необходимости рассмотреть общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании любого биотехнологического производства. Процессы промышленной биотехнологии разделяют на 2 большие группы: производство биомассы и получение продуктов метаболизма. Однако такая классификация не отражает наиболее существенных с технологической точки зрения аспектов промышленных биотехнологических процессов. В этом плане необходимо рассматривать стадии биотехнологического производства, их сходство и различие в зависимости от конечной цели биотехнологического процесса. В общем виде система биотехнологического производства продуктов микробного синтеза представлена на рис. 1.
Рис. 1. Система биотехнологического производства
Существует 5 стадий биотехнологического производства.
Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.
Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.
Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными. Далее приводится характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.
\Обзор состояния российского рынка биотехнологической продукции
Бурное развитие биологии в конце 20 века, возникновение генной и клеточной инженерии, а затем геномики и протеомики, привело к созданию новых биотехнологий, способных обеспечить полноценным питанием все население Земли, покончить с инфекционными заболеваниями, создать новую медицину, направленную на предотвращение развития болезней. Сегодня изменяется отношение к фундаментальной биологии. С одной стороны ее достижения мгновенно используются для создания новых лекарственных препаратов, средств диагностики, в различных сферах хозяйственной деятельности, с другой все новые биотехнологии являются настолько наукоемкими, что фирмы, активно развивающие их, являются по существу научно-производственными комплексами, ведущими собственные не только прикладные, но и фундаментальные исследования.
Сегодня биоиндустрия является одной из наиболее наукоемких отраслей промышленности в мире. Ее специфика - тесная связь фундаментальных исследований и сопутствующих им прикладных разработок. Зачастую между ними нет временного разрыва: к промышленному освоению нового биотехнологического процесса и производству готовой продукции биоиндустрии приступают практически одновременно.
Биоиндустрию нельзя в настоящее время рассматривать как единую отрасль: ее процессы и продукты рассредоточены практически одновременно в химических, пищевых, энергетических и других производствах, и рынок продуктов биотехнологии весьма обширен. Это является причиной значительных расхождений в оценках рынков биотехнологической продукции.
Общий объем, потребляемой в России, биотехнологической продукции составил в 2001 году около 45 млрд. руб. На отечественное производство приходится примерно 25-30 %. (чуть более 12 млрд. руб.). Основная масса рынка России удовлетворяется за счет импортных поставок. Объем таких поставок достигает примерно 33 млрд. руб. Емкость российского рынка можно предварительно оценить в 90-100 млрд. руб., то есть потребности рынка биотехнологической продукции удовлетворяются в настоящее время на 40-45 %, в том числе за счет отечественных производителей примерно 12-13%. В частности, степень удовлетворения потребностей рынка в фармацевтической биотехнологии составляет 51,3%, в пищевых и кормовых добавках – от 22 до 40%, в остальных отраслях – и того меньше.
Биотехнологические процессы используются в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве , при производстве широкого спектра товаров и услуг, поэтому биотехнологическая промышленность сильно диверсифицирована .
Наиболее бурно развивающейся отраслью биотехнологии является медицинская биотехнология. Мировой рынок фармацевтической биотехнологической продукции представлен классическими биотехнологическими продуктами - антибиотиками, витаминами , вакцинами , ферментами и аминокислотами; а также т. н. «новейшими биотехнологиями» - генноинженерными лекарственными препаратами и вакцинами и диагностическими средствами нового поколения.
Номенклатура фармацевтических препаратов, получаемых с помощью биотехнологий, в России значительно уже мировой, и представлена нижеследующими препаратами.
Антибиотики.
В СССР производство антибиотиков базировалось на штаммах отечественной селекции, объемы производства составляли свыше 3000 т/год и обеспечивали антибиотиками все республики бывшего Союза и страны соцлагеря. К настоящему времени выпуск субстанций антибиотиков сократился в 4 раза, а готовых форм для инъекций - в 2,2 раза. Общий объем производства отечественных антибиотиков в 2000 году составил чуть более 1 тысячи тонн.
Иммунобиологические препараты.
На предприятиях Российской Федерации выпускается около 500 медицинских иммунобиологических препаратов. Отечественные препараты вакцин, анатоксинов, иммуноглобулинов и альбуминов , бактериофагов, аллергены , интер-фероны, разновидности иммунодиагностиков и тест-систем, препараты нормоф-лоры часто не уступают по качеству зарубежной продукции. На сегодня, около 40 предприятий разных ведомств имеют лицензию на право производства МИБП. Производственных мощностей этих предприятий достаточно для обеспечения учреждений здравоохранения и санитарно-эпидемиологической службы основной номенклатурой МИБП.
Наиболее высококачественную и конкурентоспособную на внешнем рынке продукцию производят организации, представляющие собой единый комплекс научно-исследовательского института и мощной производственной базы, как, например, ВНИИ защиты животных (п. Юрьевец), ветеринарный институт (г. Казань), а также Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. . Стимулирование создания и развития, подобных научно-производственных центров должно стать одним из приоритетных направлений государственной политики, первым шагом в этом направлении могло бы быть уточнение правового статуса этих учреждений.
Генно-инженерные лечебно-профилактические препараты.
Исследования по генной инженерии, проводимые ранее широким фронтом, позволили сконструировать продуценты десятков белков, продвинуться в технике ведения культур клеток и разработать технологию получения ряда препаратов.
В настоящее время предприятиями, созданными на базе ведущих научных учреждений, налажен выпуск 4 генно-инженерных лекарственных препаратов и 1 генно-инженерной вакцины.
Для организации промышленного производства этих препаратов не нужно больших производственных площадей, но требуется высокая технологическая культура.
Разработка технологии производства отечественного инсулина (потребность страны, в котором составляет 200 кг субстанции в год и пока полностью покрывается за счет импорта) находится на стадии клинических испытаний (РАО «Биопрепарат»).
Диагностические средства in vitro.
В настоящее время в основном используются два вида иммунодиагности – иммуноферментный анализ и ДНК-диагностика. Иммунодиагностические тесты более распространены, чем ДНК-диагностика. Однако в последние 2-3 года рынок ДНК-диагностики активно растет, возникает новый вид биотехнологических компаний - геномные компании, появляются новые виды ДНК-диагностики - макро - и микроматрицы (биологические микрочипы). Рынок ДНК-диагностики развивается более динамично и в ближайшие годы превысит рынок иммунодиагностики
В России рынок ДНК-диагностики ориентирован, в основном, на платный сектор медицины. Объем рынка полностью покрывается отечественными производителями. Отечественные системы ДНК-диагностики (ПЦР-диагностика) не уступают зарубежным аналогам по качеству, но в раз дешевле. Некоторые отечественные производители ферментов для ДНК-диагностики поставляют свою продукцию ведущим западным фирмам.
Постоянное совершенствование и расширение возможностей ДНК-диагностики уже сегодня позволяет использовать ее для решения проблем практического здравоохранения, не решаемых с помощью имеющихся методов (например, экспресс-диагностика новых форм туберкулеза). Развитие методов ДНК-диагностики и расширение спектра их использования в здравоохранении и ветеринарии должно занять достойное место в государственной политике поддержки биотехнологии.
Таким образом, общий объем выпуска фармацевтической биотехнологической продукции в 2000 г. составил приблизительно. 6,0 млрд. руб. В него не включена продукция, выпускаемая вновь созданными негосударственными предприятиями (в основном малыми), так как существующий порядок сбора статистической отчетности не предусматривает представления ими данных об объемах и номенклатуре своего производства.
В последние годы в мире быстро растет производство лекарств и косметических средств на основе натурального растительного сырья. Этот рынок активно развивается и в России. Так Государственный реестр лекарственных препаратов из растительного сырья постоянно пополняется новыми препаратами, сейчас в него внесено более 600 наименований. По мнению экспертов, данный сектор имеет хорошие перспективы развития. Отмечается высокая конкурентоспособность отечественной продукции, основанной на местном сырье и на традициях народной медицины . Однако насыщенность рынка этими препаратами составляет 25-30%. Возможно вследствие того, что многие подобные препараты регистрируются как пищевые добавки.
Среди участников ежегодных выставок «Инновации в биотехнологии», примерно половина участников - фирмы-производители косметических средств и витаминных пищевых добавок из растительного сырья. Так как эти предприятия являются частными или акционерными обществами , точные статистические данные об объемах их производств отсутствуют.
Определяя в целом сегодняшнее состояние биотехнологических производств и используемых ими технологий, следует отметить, что при общем спаде объемов производства, номенклатура и разнообразие продуктов с использованием биотехнологий на российском рынке резко возросли. Необычайно возросший спрос на продукцию новых категорий создает основу для развития отечественных средних и малых биотехнологических предприятий, ориентированных на выпуск продукции широкой номенклатуры.
Реальный возврат вложенных средств и получение прибыли на данном этапе возможен только от высокорентабельных предприятий, ориентированных на медицинскую, фармацевтическую, пищевую промышленности , сельское хозяйство и природоохранные мероприятия. Следует, однако, учитывать, что ранее существовавшие требования к качеству продукции, морально устарели. В современных условиях качество должно отвечать мировым стандартам и обеспечивать конкурентоспособность с импортными продуктами Последнее возможно при совершенствовании технологий с использованием оборудования нового поколения. Только это может облегчить выход российской биотехнологической продукции на мировой рынок.
Крупно- и маломасштабное производство
Необходимо отметить, что в зависимости от цели производства и конечного продукта различают крупно- и маломасштабное производство. Их основные различия заключаются в следующем:
Объем используемых установок и реакторов – маломасштабное производство 100-1000 л, крупномасштабное- 10 000 л.;
Стоимость продукции – маломасштабного производства- высокая, крупномасштабного- невысокая;
Тип продукции – маломасштабного производства- высокоспециализированный для медицины, фармацевтики и.т.п., крупномасштабного - малоспециализированные предметы потребления;
Основные приемы получения – маломасштабного- гентические манипуляции, крупномасштабного технология ферментации, инженерия процессов; стоимость НИР – маломасштабное высокая, крупномасштабное умеренная.
Мы уже поняли, что в основе всех биотехнологических процессов лежит использование способности живых организмов трансформировать дешевый субстрат в более дорогие и ценные продукты или эненргию. Чистую культуру микроорганизма одного вида, происходящую из одной колниеобразующей единицы с характерным геномом и стабильными свойствами называют штаммом.
Производственные штаммы представляют большую ценность в виду того, что их селекция требовала значительных затрат, а кроме того с их помощью получают значительные объемы коммерческого продукта.
Существуют целые коллекции культур микроорганизмов. Например, одна из самых больших коллекций – АТСС – американская коллекция культур микроорганизмов. Существует с начала 20 века. В Республике Беларусь есть коллекции полезных микроорганизмов в Институте микробиологии НАН Беларуси, в мясо-молочном институте НАНБ. Коллекции патогенных микроорганизиов есть при Институте микробиологии и эпидемиологии МЗ РБ и в Институте экспериментальной ветеринарии им.С.Н.Вышелесского.
Производственные штаммы микроорганизмов должны обладать способностью к росту на дешевых питательных средах, высокой скоростью роста и образованию целевого продукта, стабильностью производственных свойств, безвредностью штамма и целевого продукта для человека и окружающей среды.
Микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды.
Основные принципы промышленной организации биотехнологических процессов
Получение засевной дозы
В технологическом процессе используются полезные свойства штамма, следовательно, необходимо сохранять и, если возможно, улучшать его производственные качества. Поэтому в биотехнологическом производстве имеется отделение чистой культуры, задачей которого является постоянное и надежное воспроизведение полезных свойств продуцента. Такое отделение проводит контроль и сохранение чистой культуры, а также маломасштабное культивирование для постоянной передачи штамма на стадию ферментации. Фактически это микробиологическая лаборатория, с музеем штаммов-продуцентов. В ходе контрольных высевов и маломасштабных ферментаций (в пробирках, колбах и т. д.) контролируется устойчивость всех имевшихся или приобретенных признаков, послуживших основанием для рекомендации к промышленному применению этих культур. По мере необходимости из отделения чистой культуры получается масса инокулята, идущая в производство.
При периодическом процессе культивирования (при производстве метаболитов) в отделении чистой культуры готовят засевную дозу клеток для каждой из операций основного производства. При непрерывном производстве кормового белка этого не требуется, однако для повышения качества продукта предпочитают время от времени вводить клетки штамма-продуцента из отделения чистой культуры.
Посевные дозы выращиваются последовательно в колбах и бутылях на 10-20 литров, находящихся на качалках или просто в термостатируемом помещении, и далее в последовательности ферментеров объемом (по необходимости) 10, 100, 500 и 1000 литров, в которых осуществляется перемешивание, аэрация и термостатирование культуральной жидкости с клетками.
Отделение чистой культуры должно иметь достаточно большую коллекцию штаммов продуцентов, так как возможны временные переходы с одного штамма на другой, вызванные различными причинами. Например, сезонные изменения температуры частично компенсируются подбором достаточно продуктивных термотолерантных штаммов. Кроме того, микробиологическая промышленность зачастую вынуждена использовать в качестве компонентов питательных сред отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности (меласса, кукурузный экстракт), что ведет к сезонным изменениям сырья и предполагает адаптацию продуцента к особенностям среды. Все это делает роль микробиологической службы производства достаточно высокой.
При производстве вакцин и биологических препаратов используют систему посевных серий. В начале создают первичную посевную серию штамма с известными свойствами. Для получения каждой производственной серии рассевают 1 единицу хранения первичной посевной серии. Это важное требование закреплено в правилах ВОЗ для обеспечения стабильности свойств вакцин и диагностических препаратов.
Если вернуться к основным этапам биотехнологического процесса и рассмотреть их с точки зрения принятых методов, то можно отметить, что на стадии сырья и его подготовки используют общепринятые методы.
Чаще всего – сырье это питательная среда для продуцентов. Поэтому, часто проводят его подготовку путем стерилизации, используя автоклавирование или гамма-облучение.
Методы на стадии ферментации и биотрансформации более разнообразны.
1) селекция продуктов;
3) технология рекомбинантных ДНК
4) реакторное культивирование
На стадии конечной обработки и получения целевого продукта используются, в основном, методы фракционирования
1) центрифугирование;
2) фильтрация;
3) дезинтеграция;
4) ультрафильтрация;
5) сушка: сублимационная и в падающем потоке.
Использование грибов, плесеней, дрожжей, актиномицетов
Их используют для получения:
→ антибиотиков (пенициллы, цефалоспорины);
→ каротиноидов (астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок, его вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);
→ белка (Candida, Saccharomyces lipolitica);
→ сыров типа рокфор и камамбер (пенициллы);
→ соевого соуса (Aspergillus oryzae).
Из 500 известных видов дрожжей первыми стали использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид используется и наиболее интенсивно.
Saccharomyces cerevisiae
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae – это непатогенные одноклеточные микроорганизмы с диметром клетки примерно 5 мкм, которые во многих отношениях представляют собой эукариотический аналог E . coli . Их генетика, молекулярная биология и метаболизм детально изучены. S . cerevisiae размножаются почкованием и хорошо растут на такой же простой среде, как и E . coli . Их способность к превращению сахара в этанол и углекислый газ издавна использовалась для изготовления алкогольных напитков и хлеба. В настоящее время ежегодно во всем мире расходуется более 1 млн. тонн S . cerevisiae . Дрожжи S . cerevisiae представляют также большой научный интерес. В частности, они являются наиболее удобной моделью для исследования других эукариот, в том числе человека, поскольку многие гены, ответственные за регуляцию клеточного деления S . cerevisiae , сходны с таковыми у человека. Это открытие способствовало идентификации и – характеристике генов человека, отвечающих за развитие новообразований. Широко используемая генетическая система дрожжей (искусственная хромосома) является непременным участником всех исследований по изучению ДНК человека. В 1996 г. была определена полная нуклеотидная последовательность всего набора хромосом S . cerevisiae , что еще более повысило ценность этого микроорганизма для научных исследований. Такая работа на эукариотах была выполнена впервые.
Синтезированный бактериальной клеткой эукариотический белок часто приходится повергать ферментативной модификации, присоединяя к белковой молекуле низкомолекулярные соединения во многих случаях это необходимо для правильного функционирования белка. К сожалению, E . coli и другие прокариоты не способны осуществлять эти модификации, поэтому для получения полноценных эукариотических белков используют S . cerevisiae , а также другие виды дрожжей: Kluyveromyces lactis , Saccharomyces diastaticus , Schizisaccharomyces pombe , Yarrowia lipolytica , Hansenula polymoгрha . Наиболее эффективными продуцентами полноценных рекомбинантных белков являются P . pastoris и H . polymoгрha .
Дрожжи Kluyveromyces fragilis сбраживают лактозу. Их используют для получения спирта из сыворотки молока.
Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов.
Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.
Промышленные дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны. Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е. клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).
Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5-7 раз больше рибофлавина и никотиновой кислоты, чем исходный субстрат. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.
Искусственное выращивание макромицетов или грибов способно внести важный вклад в обеспечения продовольствием населения земного шара.
Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы.
Простейшие в биотехнологии
Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент активного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ.
В этом качестве рациональнее использовать свободноживущих простейших, обладающих разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенными в природе.
Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных животных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению клетчатки в желудке жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного фермента
Возбудитель южноамериканского трипаносомоза - Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi) стала первым продуцентом противоопухолевого препарата круцина (СССР) и его аналога-трипанозы (Франция). Изучая механизм действия этих препаратов, советские ученые (Г. И. Роскин, Н. Г. Клюева и их сотрудники), а также их французские коллеги (Ж. Кудер, Ж. Мишель-Брэн и др.) пришли к выводу, что эти препараты оказывают цитотоксический эффект при прямом контакте с опухолью и ингибируют ее опосредованно, путем стимуляции ретикулоэндотелиальной системы. Выяснилось, что ингибирующее действие связано с жирнокислотными фракциями.
Водоросли
Водоросли используются, в основном, для получения белка. Весьма перспективны в этом отношении и культуры одноклеточных водорослей, в частности высокопродуктивных штаммов рода Chlorella и Scenedesmus. Их биомасса после соответствующей обработки используется в качестве добавки в рационы скота, а также в пищевых целях.
Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за теплый период года (6-8 месяцев) можно получить 50-60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав - люцерна дает с той же площади только 15- 20 т урожая.
Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна - лишь 18 %. В целом в пересчете на 1 га хлорелла образует 20-30 т чистого белка, а люцерна - 2-3,5 т. Кроме того, хлорелла содержит 40 % углеводов, 7-10 % жиров, витамины А (в 20 раз больше), B2, К, РР и многие микроэлементы. Варьируя состав питательной среды, можно процессы биосинтеза в клетках хлореллы сдвинуть в сторону накопления либо белков, либо углеводов, а также активировать образование тех или иных витаминов.
При завоевании племен майя миссионерами описывался случай, когда испанцы около полутора лет осаждали крепость на вершине горы. Естественно, что все продукты давно должны были кончиться, однако крепость не сдавалась. Когда же она была наконец взята, то испанцы с удивлением увидели в ней небольшие пруды, где культивировались одноклеточные водоросли, из которых индейцы готовили особый сыр. Испанцы попробовали его и нашли весьма приятным на вкус. Однако это было уже после того, как испанцы уничтожили абсолютно всех защитников и секрет племени был утерян. В наше время делались попытки определить этот вид водорослей, из которых готовился сыр, но они не увенчались успехом.
В пищу употребляют около 100 видов макрофитных водорослей
В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных.
Наряду с кормами водоросли давно применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Биомасса обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным количеством микроэлементов, пополняет также ее бактериальную, в том числе азотфиксирующую, микрофлору. При этом в почве водоросли разлагаются быстрее, чем навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных насекомых, спорами фитопатогенных грибов.
Одним из самых ценных продуктов, получаемых из красных водорослей, является агар - полисахарид, присутствующий в их оболочках и состоящий из агарозы и агаропектина. Количество его доходит до 30-40 % от веса водорослей (водоросли лауренция и грацилярия, гелидиум). Водоросли - единственный источник получения агара, агароидов, каррагинина, альгинатов. В мире ежегодно получается более 16 тыс. т агара.
Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных веществ водорослей - солей альгиновой кислоты, альгинатов. Альгиновая кислота - линейный гетерополисахарид, построенный из связанных остатков (3 - Д-маннуроновой и α - L-гиулуроновой кислот.
Альгинаты исключительно широко применяются в народном хозяйстве. Это изготовление высококачественных смазок для трущихся деталей машин, медицинские и парфюмерные мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие к любой погоде лакокрасочные покрытия, не выцветающие со временем ткани, производство шелка, клеящих веществ исключительно сильного действия, строительных материалов, пищевые продукты отличного качества - фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов, брикетирование топлива, литейное производство и многое другое. Альгинат натрия - наиболее используемое соединение - способен поглощать до 300 весовых единиц воды, образуя при этом вязкие растворы.
Бурые водоросли богаты также весьма полезным соединением - шестиатомным спиртом маннитом, который с успехом применяют в пищевой промышленности, фармацевтике, при производстве бумаги, красок, взрывчатки и др.
Растения в биотехнологии
Водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, так как растет в тесном симбиозе с сине-зеленой водорослью анабена. Азолла быстро размножается простым делением: часть листьев отделяется от материнского растения и начинает самостоятельную жизнь. При благоприятных условиях способна удваивать свою биомассу каждые трое суток.
Представители семейства рясковых (Lemnaceae) - самые мелкие и простые по строению цветковые растения, величина которых редко превышает 1 см. Цветут крайне редко. Рясковые - свободноживущие водные плавающие растения.
Рясковые ( Lemna minor, L. trisulca, Wolfia, Spirodela polyrhiza ) служат кормом для животных, для уток и других водоплавающих птиц, рыб, ондатры.