Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 271

воевание потребителя в уже освоенных ими регионах. Ожидается рост ин-

тенсивности конкурентной борьбы на международном рынке биополимеров

и возможное общее снижение уровня цен на них в связи с организацией про-

изводства биодеградируемых полимеров в Германии и Голландии, а также

Японии и ряде других развитых стран.

В настоящее время все чаще появляются работы, рассматривающие в

качестве сырья для ряда биотехнологических производств угли и продукты

их переработки. В связи с огромными запасами и относительно низкой стои-

мостью данный субстрат представляет интерес и для будущих крупнотон-

нажных производств микробных биопластиков. Такие исследования начаты.

Недавно опубликована работа по изучению продукции среднецепочечных

полигидроксиалканоатов несколькими культурами Pseudomonas на средах,

содержащих в качестве источника углерода продукты переработки углей –

смеси гуминовых кислот. Установлено, что бактерии Ps. oleovorans способны

синтезировать ПГА, содержащие гидроксигексаноат, гидроксидеканоат и

гидроксидодеканоат, а бактерии Rhodobacter rubber – смеси гидроксибутира-

та и гидроксивалерата. Показано, что продукты гидролиза углей, полученные

биологическим путем на основе культуры Trichoderma, является для Ps. oleo-

vorans, по сравнению с продуктами химического гидролиза углей, более вы-

годным субстратом. В перспективе возможна организация двух-, трехэтапных

биотехнологических процессов, в ходе которых на первых стадиях угли будут

трансформироваться до водорастворимых продуктов, например, грибными

культурами, а далее эти субстраты можно будет использовать для синтеза ПГА.

Возможен другой путь использования низкосортных бурых углей в ка-

честве исходного сырья для биосинтеза ПГА. На базе авторских штаммов во-

дородокисляющих бактерий, обладающих резистентностью к СО (моноокси-

ду углерода) в Институте биофизики СО РАН разработан процесс синтеза

ПГА на газовом субстрате в присутствии СО и выявлен механизм СО-

резистетности бактерий. Этими работами была обоснована возможность при-

влечения синтез-газа для получения ПГА. В Институте химии и химической

технологии СО РАН оптимизирован процесс газификации углей Канско-

Ачинского месторождения с целью получения газового субстрата, пригодно-

го для эффективного синтеза ПГА. Это позволило впервые в биотехнологи-

ческой практике реализовать процесс синтеза биоразрушаемых полимеров на

продуктах переработки углей (рис. 5.11

), что открывает перспективу созда-

ния уникальной индустрии биопластиков с использованием минерально-

энергетической базы Сибири.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 272

Рис. 5.11. Процесс синтеза биоразрушаемых полимеров

на продуктах переработки углей (фото Т.Г. Воловой)

В настоящее время в сфере коммерциализации ПГА активно работают

многие фирмы и промышленные компании. Первой промышленной корпора-

цией, начавшей освоение промышленного производства ПГА, была ICI в Ве-

ликобритании; фирмы Zeneka Seeds и Zeneka Bio Product с 1992 г. начали вы-

пуск полиоксибутирата и сополимеров оксибутирата с оксивалератом (товар-

ное название продукта «Биопол

»). За основу был принят процесс, считающий-

ся в то время лучшим, с использованием мутантного штамма водородных бак-

терий Alcaligenes eutrophus, способного усваивать глюкозу. При масштабах

производства в 10–15 тыс. т в год цена Биопола достигала 16 000 дол. CША /т.

Это на порядок выше стоимости полиолефинов. Широкое применение Био-

пола с такой стоимостью в качестве упаковочного материала проблематично

и, по мнению специалистов, оправдано в специальных, например биомеди-

цинских целях. В 1996 г. ZENEKA, переуступила свои права концернам Mon-

santo и Astra (США).

Сегодня среди производителей малотоннажных производителей поли-

оксиалканоатов Монсанто К

, Metabolix Inc., Tepha, Proctor & Gambel, Berlin

Packaging Corp., Bioscience Ltd., BioVentures Alberta Inc., Merk), выпускаю-

щих полимеры под марками Biopol®, Biopol

, TephaFLEX

, DegraPol/btc®,

Nodax

. Такие производства осваивают или планируют практически все

развитые страны, однако решающим для начала широкомасштабного полу-

чения и применения ПГА является снижение их стоимости. Большие надеж-

ды возлагаются на генетически модифицированные организмы, включая

высшие растения. В рамках объединенного проекта ведущих производителей

ПГА Metabolix и Monsanto In, с 2001 г. ведутся работы по созданию транс-

генных растений для синтеза полимера; к 2008 г. планируется начать круп-

номасштабный выпуск «Биопола

» с использованием генетически модифи-

СО

+ СО + Н

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 273

цированных растений. В связи с тем, что работы, ориентированные на оптимиза-

цию технологии синтеза и снижение стоимости ПГА, проводятся весьма активно,

области применения этого биопластика становятся приемлемыми и обоснован-

ными не только для биомедицины. Линейка продуктов из ПГА (Metabolix) варьи-

руется по величине молекулярной массы от 1 000 до 1 000 000 Да, а относитель-

ное удлинение при разрыве – от 5 до более чем 1 000 %. ПГА применяется в

производстве биоразлагаемой упаковки и формованных изделий, нетканых

материалов для одноразовых салфеток и средств личной гигиены, пленок и

волокон, клейких веществ и покрытий, связующих материалов для металли-

ческих и керамических порошков и водостойких покрытий для бумаги и кар-

тона. Наиболее привлекательным коммерческим свойством ПГА является

разрушаемость в биологических средах до конечных продуктов, безвредных

для биоты: в аэробных условиях до СО

и Н

О, в анаэробных условиях – до

СН

и Н

О. Тонкостенные предметы из ПГБ медленно разрушаются в тече-

ние нескольких лет в земле при средней температуре 8–15 °C. В компосте –

более быстро, а при использовании дополнительных средств при температуре

50–65 °C предметы из ПГБ разрушаются в течение нескольких недель.

В 2008 г. компания Metabolix (Кембридж, штат Массачусетс) выпуска-

ет на рынок новую линейку разрушаемых биопластиков под маркой Mirel.

Компания Metabolix Inc выпускает на рынок три новых марки Mirel: Mirel

P1001 и P1002 для литья под давлением и Mirel P2001 – аналог бумажной

упаковки. Mirel P1001 для литья под давлением должен заменить термопла-

сты типа пенопласта, а Mirel P1002 заменяет полиолефины типа полипропи-

лена. Эти марки сырья могут перерабатываться на обычном литьевом обору-

дование. Mirel P2001 планируется использовать для производства одноразо-

вых бумажных чашек и различной упаковки для продуктов. Metabolix Inc в

кооперации с компанией Archer Daniels Midland Company (ADM) в конце

2008 г. в городе Клинтон штат Айова в целях коммерциализации своей фер-

ментационной технологии запускают производство этого типа разрушаемого

биопластика объемом 55 тыс. т/год. Для разработки нового продукта подпи-

сан договор с австралийским Центром исследования сахара. Затраты на про-

изводство оцениваются менее 3,67 дол. США за кг биопластика. Metabolix

активно сотрудничает с компанией British Petroleum в целях дальнейшего

развития прямого производства пластиков с использованием сахаросодержащих

продуктов переработки проса. Технология получила поддержку на государст-

венном уровне от Департамента сельского хозяйства США и в рамках Програм-

мы разработки перспективных технологий Департамента торговли США.

Новые типы разрушаемых пластиков семейства полигидроксиалканоа-

тов (ПГА) разрабатываются компанией Procter & Gamble, стратегия которой,

в отличие от Metabolix, нацелена на разработку другой разновидности

ПГА-биополимеров, производимых ферментацией сахаров и жирных кислот

и выпускаемых под маркой Nodax

. Эти биопластики представляют собой

сополимеры гидроксибутирата и гидроксигексаноата (ПГБГ) и тройные сополи-

меры гидроксибутирата/гидроксигексаноата/гидроксидеканоата. По сравнению с

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 274

полимерами типа Biopol биополимеры Nodax схожи с ПЭНП и характеризу-

ются наличием боковых ответвлений от основной цепи, при этом содержание

мономеров в ПГА варьируется в диапазоне от 2 до 24 % в зависимости от

числа атомов углерода в боковых ответвлениях – от 6 до 24 атомов (С

–С

Как следствие, биопластики Nodax имеют меньшую, по сравнению с Biopol,

температуру плавления и стеклования, кристалличность, что облегчает пере-

работку полимера. Их барьерные свойства такие же, как и у полиэтилена вы-

сокой плотности. Промышленного производства в настоящее время нет. Про-

гнозная цена Nodax от 2,50 до 3,8 дол./кг.

В Европе внедрение биоразлагаемых упаковочных материалов и созда-

ние благоприятных условий для развития индустрии биополимеров – вопрос

государственной важности. В ряде стран Западной Европы, в частности в

Германии, основным стимулом для развития этого направления являются на-

логовые льготы для производителей, использующих биоразлагаемые мате-

риалы в производстве упаковки. В Дании и Ирландии введен налог на про-

дуктовые сети за употребление полиэтиленовых пакетов. Ограничения или

запреты на их использование начинают действовать, помимо США и ЕС, в

таких государствах, как Бангладеш, Сингапур, Тайвань и ряде штатов Индии.

Кнессет Израиля обсуждает законопроект, возбраняющий раздачу бесплат-

ных ПЭТ-пакетов в торговых заведениях. Китайские власти заявили, что

с 1 июня 2008 г. нельзя будет производить тонкие пакеты из синтетических

полимеров и использовать их в розничных точках. Австралия намерена вве-

сти аналогичный запрет к концу 2008 г.

Однако ситуация с пакетами – лишь частный случай, можно взглянуть

и шире. Представитель Министерства сельского хозяйства Франции Жульет

Турин (Juliet Turinne) в ноябре 2007 г. выступила в Берлине перед участни-

ками 2-й Европейской конференции по использованию биополимеров. Она

рассказала, что французские власти не только понимают необходимость вне-

дрения биоразлагаемых полимеров, но и предпринимают конкретные шаги в

этом направлении. Во-первых, они создают благоприятные условия для раз-

вития сельскохозяйственного производства сырья для биополимеров. Во-

вторых, планируют в ближайшее время внедрить систему налогов и сборов,

которая бы стимулировала производителей к использованию биоразлагаемой

упаковки. Соответствующий закон, ранее отклоненный Европейской комис-

сией, сейчас находится на стадии доработки и усовершенствования. В-

третьих, разрабатываются стандарты оформления этикетки для биоразлагае-

мых продуктов с целью информирования потребителей, стимулирования

продаж и правильной утилизации.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.5. Перспективы развития индустрии и рынка разрушаемых биополимеров

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 275

Министерство Германии по охране окружающей среды проявило поли-

тическую инициативу, направленную на создание оптимальных условий для

компостинга биоразлагаемых полимеров. Планируется разработать, а затем

реализовать национальную стратегию переработки органических отходов.

Федеральное правительство Германии намерено представить разработанную

стратегию на европейском уровне. В странах Евросоюза органические отхо-

ды составляют порядка 38 % всего городского мусора, что в количественном

выражении составляет порядка 120 млн т в год.

В России ситуация с внедрением биоразлагаемых полимеров пока не

внушает оптимизма. Производители упаковки считают, что это «дело неоп-

ределенно далекого будущего».

Сегодня в РФ в связи с отсутствием у общества информации и мнений

о разрушаемых биопластиках необходимо начать формирование мнения о

необходимости перехода на разрушаемые пластики, далее – создать условия

для появления заинтересованности в таких производствах у производителей

пластмасс. Поэтому организация первого производства разрушаемых био-

пластиков в Красноярском регионе может стать важным элементом для по-

степенной переориентации рынка пластиков в РФ. Наличие у коллектива ис-

следователей Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского Феде-

рального университета приоритетного научного задела в различных областях

биотехнологии ПГА, созданной научно-практической основы, включая пер-

вое в РФ опытное производство биопластиков, и с учетом уникальной энер-

гетической и сырьевой базы Сибири в перспективе могут обеспечить Крас-

ноярскому региону уникальную возможность лидерства на рынке биоразру-

шаемых пластиков в РФ.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 276

Традиционная биотехнология зародилась десять-двенадцать тысяч лет

назад, когда закончилось последнее оледенение. Веками человек использовал

микроорганизмы для выпечки хлеба, приготовления пива, сыра, выращива-

ния сои, производства вина, витаминов. Интерес к производству пищевых

продуктов не ослабевает и в наше время, но эти производства перешли на но-

вый уровень с использованием всех новейших достижений современной био-

логии. Разрабатываются биотехнологии получения экологически чистой пи-

щи для обеспечения сбалансированного питания как на основе высших рас-

тений, так и с помощью микробиологического синтеза.

Продукты биотехнологии являются результатом функционирования

биологических систем для технических и промышленных процессов. Сюда

относятся как традиционные организмы, так и организмы, явившиеся резуль-

татом генной инженерии.

Растения являются наиболее дешевым продуцентом белков и других

продуктов питания. Стоимость белка, полученного путем сельскохозяйст-

венного культивирования сои или кукурузы, составляет менее 1 дол./кг. В то

время как использование в настоящее время микробных клеток в закрытых

системах (ферментерах) и особенно культивируемых клеток животных в ка-

честве продуцентов фармацевтических белков обходится в сотни и тысячи

раз дороже. Поэтому исследования последних лет имели целью, с одной сто-

роны, показать возможность получения биологически эквивалентных форм

того или иного белка в трансгенных растениях, а с другой, – повысить со-

держание белка и облегчить и удешевить его последующую очистку.

К настоящему времени уже показано, что растения могут производить

белки животного происхождения, такие как энкефалин, моноклональные ан-

титела, специфичные для бактерий, вызывающих зубной кариес. Предпола-

гается, что на основе таких моноклональных антител, продуцируемых транс-

генными растениями, удастся создать действительно антикариесную зубную

пасту. Из других белков животного происхождения, которые представляют

интерес для медицины, показана продукция в растениях человеческого

ГЛАВА 6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ

6.1. Методы выделения и очистки клеточных макромолекул для получения целевого биотехнологического продукта

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 277

β-интерферона. Получен картофель, экспрессирующий олигомеры нетоксич-

ной субъединицы В-токсина холеры. Эти трансгенные растения могут быть

использованы для получения дешевой вакцины против такого заболевания,

как холера. Причем в случае холеры иммунизация вполне эффективно про-

исходит при пероральном приеме вакцины.

Генетическая инженерия метаболизма растительных жиров уже приве-

ла к новым коммерческим продуктам. Важнейшим сырьем для получения

разного рода химических веществ являются жирные кислоты – основной

компонент растительного масла. В 1995 г. была закончена эксперименталь-

ная проверка и получено разрешение от федеральных властей США на вы-

ращивание и коммерческое использование трансгенных растений рапса с из-

мененным составом растительного масла, включающего вместе с обычными

16- и 18-членными жирными кислотами также и до 45 % 12-членной жирной

кислоты – лауриновой. Это вещество широко используется для производства

стиральных порошков, шампуней, косметики. Дальнейшее изучение специ-

фики биохимического синтеза жирных кислот, по-видимому, приведет к воз-

можности управлять этим синтезом с целью получения жирных кислот раз-

личной длины и различной степени насыщения, что позволит значительно

изменить производство детергентов, косметики, кондитерских изделий, за-

твердителей, смазочных материалов, лекарств, полимеров, дизельного топли-

ва и многого другого, что связано с использованием углеводородного сырья.

Однако одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии счита-

ется технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По про-

гнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспреде-

ление ролей растениеводства и животноводства, с одной стороны, и микроб-

ного синтеза, с другой, в формировании продовольственной базы человече-

ства. Львиную долю продуктов, созданных на основе современных биотех-

нологий (генетической инженерии), составили фармацевтические белки,

прежде всего инсулин, альфа-интерферон, антиген вируса гепатита В, эри-

тропоэтин, фактор стимулирования гранулоцитов и многие другие вещества.

В этих молекулах заключена такая мощь, что у множества разнообразных за-

болеваний, еще пять лет назад бывших неизлечимыми, появляется совершен-

но иной прогноз.

Например, достигнут существенный прогресс в борьбе с раком и воз-

растной слепотой – заболеваниями прежде неизлечимыми. Несколько лет на-

зад в стадии клинических испытаний находилось менее 10 противораковых

препаратов, большинство из которых представляли собой высокотоксичные

средства химиотерапии. Сегодня испытания с участием людей проходят бо-

лее 400 противораковых лекарств, и почти все они – целевого действия, на

основе биотехнологий и с минимальными побочными эффектами. На основе

биотехнологий создано 230 лекарственных препаратов и сопутствующих

продуктов, включая лекарства от бессонницы, множественного склероза,

острой боли, хронической болезни почек, недержания, язв полости рта и ра-

ка. Ни для одного раздела медицины биотехнология не сделала так много,

как для онкологии. С появлением новых лекарств, которые уничтожают

ГЛАВА 6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ

6.1. Методы выделения и очистки клеточных макромолекул для получения целевого биотехнологического продукта

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 278

только клетки опухоли, почти не повреждая здоровые ткани, изменилась вся

парадигма лечения рака. Теперь медицина рассматривает рак как хрониче-

ское, поддающееся лечению заболевание. Только в 2004 г. FDA одобрила че-

тыре целевых препарата против рака – Avastin, Tarceva, Iressa и Erbitux. При-

менение Avastin от компании Genentech позволяет продлить жизнь пациентов

с раком легких, груди и кишечника – первейшая задача для всякого препара-

та от рака.

Создано и выпущено на рынок множество новых биотехнологических

продуктов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур и про-

дуктивность сельскохозяйственных животных.

Продуктами биотехнологии являются возобновляемые источники энер-

гии – различные виды биотоплива. Налажено производство этанола из сырья,

содержащего сахарозу, глюкозу, фруктозу, другие моно- или олигосахариды,

крахмал или целлюлозу, с помощью дрожжей или бактерий. В настоящее

время этанол все в большей мере применяется в качестве экологически чис-

того моторного топлива. Поставлено производство бутанола и ацетона с ис-

пользованием бактерий-бродильщиков рода Clostridia. Технология производ-

ство водорода испытана пока только в масштабе лаборатории. Получение ме-

тана, или биогаза, осуществляемое смешанной микробной культурой, устра-

няет отходы, угрожающие планете, и производит ценное газообразное топли-

во, заменитель природного газа. Перспективно производство длинноцепо-

чечных углеводородов (бионефти) из биомассы углеводородсинтезирующих

одноклеточных водорослей. Эти водоросли могут быть выращены в биореак-

торе в виде чистой культуры. Их можно также культивировать в составе при-

родных экосистем в озерах, прудах или лагунах.

Продолжают развиваться процессы получения традиционных биотех-

нологических продуктов, к которым можно отнести антибиотики, алкалоиды,

гормоны роста растений, ферменты, аминокислоты, витамины и т.д. Молеку-

лы антибиотиков очень разнообразны по составу и механизму действия на

микробную клетку. При этом в связи с возникновением устойчивости пато-

генных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно существует по-

требность в новых. В некоторых случаях природные микробные антибиоти-

ческие продукты химическим или энзиматическим путем могут быть пре-

вращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие

более высокими терапевтическими свойствами.

Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации, в

которых те или другие соединения превращаются в новые продукты. Усло-

вия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологиче-

ские трансформации предпочтительнее химических. Пример существующих

крупномасштабных промышленных биоконверсий – производство уксуса из

этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная

модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими

липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гид-

рокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов, что в сотни раз

снижает себестоимость производства стероидов.

ГЛАВА 6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ

6.1. Методы выделения и очистки клеточных макромолекул для получения целевого биотехнологического продукта

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 279

Пока получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгод-

но, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки проду-

цируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции,

связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих

ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо

от клетки. В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. т

(а существует, как предполагают 25 000 ферментов). Например, промышлен-

ным способом производят такие ферменты, как амилаза, глюкоамилаза, про-

теаза, инвертаза, пектиназа, каталаза, стрептокиназа, целлюлаза, липаза, цел-

люлаза, оксидаза и др. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы

для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процес-

сом такого рода в мире.

Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике

при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты

предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных

труб и во многих других сферах человеческой деятельности. Ферменты для

медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.

Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых

областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического син-

теза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокисло-

ты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем пу-

тем химического синтеза. За рубежом 60 % мощностей по производству ами-

нокислот занимает глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и гли-

цин. С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических ки-

слот. Многие из них получают в промышленном масштабе – итаконовая, мо-

лочная, уксусная, лимонная.

Витамины синтезируют в основном химическим путем или получают

из естественных источников. Однако рибофлавин (В

), витамин В

и аскор-

биновую кислоту получают микробиологическим путем. Существует произ-

водство рибофлавина на основе использования дрожжеподобных грибов

Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также ви-

дами Clostridium и Ascomycetes. Микроорганизмы являются также ценным

источником получения никотиновой кислоты (витамин РР).

Микроорганизмы являются источником получения липидов специаль-

ного назначения с заранее определенными свойствами. Микробные жиры за-

меняют растительные (а в ряде случаев и превосходят) и могут использовать-

ся в разных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине.

Микроорганизмы являются важным источником получения полимер-

ных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахари-

дом является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoс. Декст-

ран служит основой получения медицинских препаратов (кровезамените-

лей) и препаратов для биохимических исследований – сефадексов и других

молекулярных сит. Одним из перспективных биодеградируемых полимеров,

синтезируемых бактериями, являются полигидроксиалканоаты. Область ис-

ГЛАВА 6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ

6.1. Методы выделения и очистки клеточных макромолекул для получения целевого биотехнологического продукта

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 280

пользования этого класса полимеров широка – от сельского хозяйства до

медицины.

С молекулярной биотехнологией человечество связывают самые боль-

шие надежды и по возможности точной диагностики, профилактики и лече-

ния множества инфекционных и генетических заболеваний, и по значитель-

ному повышению урожайности сельскохозяйственных культур, и по многим

другим до сих пор нерешенным проблемам.

К сожалению, львиную долю стоимости производства зачастую состав-

ляет не наращивание биомассы, а последующие процессы выделения и очи-

стки продукта. Стоимость очистки тем выше, чем ниже концентрация веще-

ства в клетках. Это особенно важно в случае фармацевтических препаратов,

требующих высокой степени чистоты.

В данной главе будет рассматриваться последняя стадия получения це-

левого продукта – его выделение. Эта стадия существенно различается в за-

висимости от локализации продукта и его химической природы. Если про-

дукт находится в культуральной жидкости, то он, как правило, образует

очень разбавленные растворы и суспензии, содержащие, помимо целевого,

большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси

веществ очень близкой природы, поэтому необходимо использовать мето-

ды, позволяющие провести разделение, например, тот или иной вид хрома-

тографии.

Если целевой продукт локализуется в клетке, то необходимо использо-

вать более сложный подход к его извлечению из клетки.

Независимо от локализации целевого продукта, на первом этапе его

очистки проводят отделение массы продуцента от жидкой фазы – сепарацию.

Иногда сепарации предшествует специальная обработка – изменение рН, на-

гревание, добавление коагулянтов белков или флокуллянтов для более эф-

фективного отделения биомассы и стабилизации продукта. Существует не-

сколько способов сепарации.

Флотация (буквально – плавание на поверхности воды) – разделение

мелких частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана

она на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущест-

венно водой) и на их избирательное прилипании к поверхности раздела, как

правило, жидкость – газ (очень редко: твердые частицы – жидкость). Основ-

ные виды флотации – пенная, масляная и пленочная. Наибольшее распро-

странение в биотехнологии получила пенная флотация, которая заключается

в следующем: культуральную жидкость с биомассой микроорганизмов не-

прерывно вспенивают воздухом, подаваемым снизу вверх под давлением.

Клетки и их агломераты «прилипают» к пузырькам тонкодиспергированного

воздуха и всплывают вместе с ними, собираясь в специальном отстойнике.

Этот метод идеален для сахаромицет (хлебопекарные дрожжи), которые