Современное промышленное производство продуктов микробного синтеза представляет собой единую биотехнологическую систему, кото­рая складывается из последовательных стадий и операций, количество и особенности которых зависят от вида производимой продукции и ее товарной формы. Во всех биотехнологических, фитотехнологических и синтетических процессах при получении субстанции обязательным этапом является получение биомассы, активной фармацевтической суб­станции (выделение и очистка) и готовой лекарственной формы. Се­годня мы можем говорить о широком круге микроорганизмов различ­ных таксономических групп и растений, которые могут использоваться в фармацевтической промышленности как продуценты биологически активных и других веществ, необходимых для нужд народного хозяйства.

   Стадия выделения и очистки – длительная многоступенчатая опе­рация, включающая большое количество разноплановой аппаратуры. На этой стадии используются органические растворители (взрыво- и пожароопасных), едкие дезинфицирующие соединения, а процессы сопровождаются образованием большого количества жидких, твердых и газообразных отходов. Кроме того, следует подчеркнуть, что на всех ступенях производства необходимо снижать микробную обсемененность субстанции, что требует дополнительного оборудования и удо­рожает себестоимость готового продукта.

   Общий вид биотехнологической системы представлен на рис. 23.

   На стадии поиска продуцентов осуществляется выбор штамма – ми­кроорганизма, обладающего наивысшей продуктивностью. Современ­ные методы отбора – селекционная наука и молекулярная генетика – опираются на новейшие знания о биохимии и физиологии микробных клеток, о способах регуляции активности генов, используются методы генетического обмена, методология генной инженерии. На этом этапе создания биотехнологической технологии оцениваются и формируются

 
   

Рис. 23. Многостадийная биотехнологическая система производства продуктов микробного синтеза

потенциальные возможности штамма-продуцента. Важным фактором создания эффективной биотехнологической системы является подбор питательной среды, обеспечивающей потребности культуры микроор­ганизмов в органических и химических компонентах, необходимых для оптимального биосинтеза целевого продукта. Основываясь на знании обменных процессов в микробной клетке, ее биохимии и физиологии, включая особенности взаимодействия с внешней средой, необходимо из большого числа вариантов выбрать наилучший, учитывающий, с одной стороны, энергетические и материальные потребности клетки, а с другой – доступность, технологичность и стоимость сырья.

   Важнейшая активная стадия формирования биотехнологической системы, стадия развития продуцента активной фармацевтической суб­станции и ГЛФ – режим культивирования клеток-продуцентов. Этот сложнейший технологический процесс должен обеспечивать всю сово­купность потребностей клетки, обусловленных ее физиологией – рН, кислород в культуральной жидкости, СО2 в культуральной жидкости и в отходящем воздухе и оптимальная температура в культуральной жид­кости. Эти потребности полностью должны обеспечиваться в фермента­торе, который должен с помощью перемешивающих устройств и подачи стерильного воздуха создавать режим идеального перемешивания. Этот гидродинамический режим обеспечивает одинаковые условия роста куль­туры во всех точках ферментатора. Именно в этих условиях создается возможность реализовать генетически предопределенный потенциал клетки. К уже рассмотренному выше комплексу – «клетка+питательная среда» – в процессе культивирования добавляется необходимость достижения бла­гоприятных условий для жизнедеятельности клеток-продуцентов и от­сутствие посторонней микрофлоры (контаминация). Инженерное обе­спечение оптимального процесса культивирования представляет собой весьма сложную многофакторную задачу, наиболее эффективное реше­ние которой достигается в настоящее время с помощью автоматического управления процессом с использованием компьютерной техники на ос­нове математических моделей, с достаточной для практики точностью описывающих жизнедеятельность популяций клеток-продуцентов [114].

   Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получе­ние продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.

   Микробная биомасса. Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших ко­личествах с начала XX в. и использовали в качестве пищевого продук­та в Германии во время Первой мировой войны. Получение биомассы микроорганизмов связано с выращиванием культуры в ферментаторе – наиболее продолжительный, энергоемкий и сложный процесс. Процесс глубинного культивирования микроорганизмов, особенно базидиальных грибов, отличается «тяжелыми» реологическими характеристиками культуральной среды в связи с наличием в среде агломератов мицелия. Гифы грибов в процессе роста сплетаются в комки различных разме­ров (пеллеты). Эта особенность приводит к существенному искажению микрокинетических и макрокинетических закономерностей процесса в реальных условиях культивирования. Кроме того, мицелиальные гри­бы, по сравнению с бактериальными клетками, более чувствительны к механическим воздействиям при технической реализации процесса суспензионного культивирования.

   Технология производства микробной биомассы как источника пи­щевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд евро­пейских компаний обратил внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения так на­зываемого белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и со­стоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле, парафинах и других субстратах. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментаторе с рабочим объемом 1,5 млн л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономиче­ски невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 1980-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой от­расли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс – получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

   Продукты метаболизма. После внесения на стадии ферментации в питательную среду продуцента наблюдается лаг-фаза, когда види­мого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рас­сматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно уве­личивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненци­альной, или логарифмической фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

   В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нукле­иновые кислоты, углеводы и т. д., которые получили название «первичные метаболиты».

   В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроор­ганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологиче­ской роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предме­том серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной актив­ностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи – ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности.

   Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиоло­гический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

   Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способ­ность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружи­лось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически ак­тивные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспо­рин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предот­вращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии. Биотехно­логическая схема получения этих соединений представлена на рис. 24.

   Последующие за культивированием процессы получения биопре­парата можно отнести к пассивным стадиям, поскольку на этих этапах не осуществляется прироста целевого продукта, а лишь проводится его обработка с целью получения необходимой активной фармацевтиче­ской субстанции.