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.