Визит на «биофабрику»
При посещении биотехнологического предприятия совершенно напрасно высматривать чадящие дымовые трубы или ожидать, что в нос ударит какой-то «химический» запах. Вместо этого посетитель вступит в светлые, выложенные кафельными плитками помещения. В них расположены вертикальные резервуары из нержавеющей стали размером с железнодорожную цистерну; вокруг путаница трубопроводов, множество клапанов и индикаторных приборов. Снаружи под открытым небом стоят другие стальные колоссы, по своей громадности не уступающие доменным печам. Все эти стальные резервуары служат «жилищем», «яслями» и «местом работы» микробов. Это — биореакторы.
Конструкция биореактора. В биореакторе создаются оптимальные условия для жизнедеятельности и работы микробов, растительных или животных клеток. Температуру, концентрацию кислорода и кислотность среды контролируют и регулируют с помощью чувствительных элементов (датчиков). Профильтрованный стерильный воздух продувается через стерильный питательный раствор, который подвергается непрерывному перемешиванию. Все отверстия биореактора, через которые возможно проникновение чужеродных микробов, стерилизуются водяным паром. По окончании процесса весь питательный раствор с микробами и образовавшимися продуктами сливают, то есть реактор полностью опорожняют. После этого нужные продукты могут быть отделены и очищены.
Современные биореакторы появились в результате многолетней исследовательской работы. Решающим толчком для их проектирования послужила «охота» за пенициллином. Когда Флори и Чейн искали подходящую ёмкость для выращивания кистевидной плесени, то они начали с маленьких плоских стеклянных чашек, где грибы плавали на поверхности питательного раствора. Однако при такой «технологии» никогда не удалось бы получить пенициллин в количествах, достаточных для удовлетворения потребности в нём для лечебных целей. К тому же для плоских ёмкостей вообще надо довольно много места. «Вот если бы гриб мог расти не только на поверхности, но и развиваться во всем объёме питательного раствора, тогда его выращивание упростилось бы и габариты установок уменьшились»,— так приблизительно сказали себе учёные. Однако дикий штамм Penicillium notatum — «гриб Флеминга» — был способен размножаться только на поверхности. К счастью, самый лучший из новых найденных штаммов вида Penicillium chrysogenum оказался и хорошим «водолазом»! Он рос и под водой в так называемой «глубинной» культуре, при условии достаточного обеспечения кислородом, то есть когда воздух, как в аквариуме, с помощью насоса прокачивался через жидкость. Нагнетаемый воздух и специальная мешалка обеспечивали также достаточное перемешивание вязкого питательного раствора, содержащего микроорганизмы.
В биотехнологической лаборатории Академии наук ГДР (г. Иена). Лабораторный реактор «засевается» бактериями, которые могут продуцировать большие количества аминокислоты лизина. В лаборатории проверяют оптимальные условия с тем, чтобы в последующем можно было наладить производство лизина — ценной кормовой добавки — в промышленных биореакторах. Процесс в биореакторе прослеживают при помощи чувствительных элементов (датчиков), связанных с компьютером, компьютер контролирует и регулирует весь биопроцесс.
Незаполненный биореактор для крупномасштабного производства пенициллина (вид изнутри). Отчётливо видны мешалка и охлаждающая рубашка.
В настоящее время в биореакторах выращивают плесневые грибы, дрожжи, бактерии, а также водоросли. В каждом отдельном случае конструкция биореактора рассчитана именно на получение данного продукта. Например, если надо получить большие количества дрожжей, используемых как кормовая добавка, то строят гигантские биореакторы размерами с многоэтажный дом и вместимостью до 1500 м3; цилиндрические резервуары для производства дрожжей из нефти достигают примерно 40 м в высоту и 20 м в диаметре. В пенициллиновом производстве, как правило, биореакторы имеют меньшие размеры; их вместимость не превышает 100 м3. Для научно-исследовательской работы с микроорганизмами, проводимой в лаборатории, бывает достаточно мини-реакторов, вместимость которых составляет всего лишь несколько литров. И вот биотехнологический процесс в лаборатории разработан. Тут-то и необходимо взаимодействие учёных, инженеров и конструкторов; ведь биотехнологический процесс, показавший хорошие результаты в лаборатории, должен также успешно протекать в промышленных биореакторах, объём которых в тысячи раз больше.
Разумеется, для хорошего «самочувствия» микробов важное значение имеет температура питательного раствора. Для большинства микроорганизмов «комфортная» температура определяется интервалом 20—50 °C; таким образом, их наиболее высокая продуктивность попадает в диапазон от нормальной до «тропических» температур. Потому-то на биопредприятиях нет дымовых труб! В химической промышленности, напротив, при производстве различных веществ требуются поистине «адские» температуры в сотни градусов Цельсия. Для достижения таких температур приходится сжигать гигантские количества топлива (угля, нефти и природного газа). Это дорого, и, кроме того, топливные запасы во всём мире постепенно истощаются, убывают.
Чаще всего для биотехнологических процессов требуется даже охлаждение. Дело в том, что плесневые грибы и другие микроорганизмы при потреблении питательных веществ продуцируют тепло, избыток которого выделяется. Поэтому во избежание смертельного для микромира перегрева стенки биореакторов нужно охлаждать водой.
Для ускорения превращения веществ в химических производствах нередко требуются высокие давления, но для этого тоже необходим расход энергии! Микробам же для их деятельности достаточно нормального давления.
Стоп! Не очень безобразничайте, нарушители спокойствия!
В течение всего срока работы биореактора много хлопот с невидимыми нарушителями запланированного хода микробиологического процесса. Что пользы от наилучшего штамма-продуцента пенициллина, если другие, нежелательные микроорганизмы поглотят в биореакторе питательные вещества, подавят рост «наших» грибов или даже выделят в питательный раствор ядовитые вещества? Во избежание этого питательная среда, а также нагнетаемый воздух должны быть подвергнуты кратковременному прогреванию, чтобы освободиться от микроорганизмов (этот процесс называется стерилизацией, от лат. sterilis — бесплодный). Для стерилизации биореакторов используется водяной пар, который пропускают через биореакторы непосредственно перед засевом в них микроорганизмов.
Высокие температуры с этой целью используются и в домашнем хозяйстве, и в пищевой промышленности. Чтобы убить «зародышей», то есть вредных микробов, в молоке, мы полагаем достаточным простого кипячения или пастеризации. И при обработке фруктов или при изготовлении консервов бактерий и большую часть грибных спор тоже убивают с помощью нагревания. Поскольку при этом все сосуды герметически закрываются (закупориваются), туда не могут проникнуть ни новые микробы, ни кислород, необходимый для развития большинства микроорганизмов. Вот если в консервы проникнет воздух, они будут испорчены. Например, в стеклянных банках с компотами, которые были недостаточно плотно закрыты, можно увидеть плесень.
Впрочем, консервы «изобрёл» без всякого знания о существовании микробов ещё за 50 лет до открытий Пастера французский повар Никола Аппер (1752—1841). В 1795 г. Наполеон назначил награду за изобретение способа длительного предохранения от порчи продуктов питания, необходимых для снабжения его армии во время походов. Над этой проблемой Аппер проработал 14 лет. Он нагревал пищевые продукты и герметически закупоривал сосуды пробками. После этого его консервы могли храниться месяцами. За свое изобретение Аппер в 1809 г. получил награду в 12 000 франков; он опубликовал описание своей методики и стал основоположником современной консервной промышленности.
