Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Предисловие

От переводчика

Биохимическая технология (биотехнология) — одна из самых старых и одновременно одна из самых молодых наук и отраслей промышленности, если под биотехнологией понимать использование живых организмов или биологических процессов в производстве, — ведь такие процессы, как хлебопечение, сыроделие, виноделие и др., известны человечеству с незапамятных времен. Однако термин «биотехнология» привился только с середины 70-х годов, когда биотехнология пережила свое второе рождение в связи с появлением генетической инженерии.

В настоящее время процессы биохимической технологии широко используются при производстве ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормонов и др.), для предотвращения загрязнения окружающей среды, защиты растений от болезней и вредителей, в крупномасштабном производстве белков и аминокислот, предназначенных в качестве добавок к кормам в животноводстве. Развитие генетической и клеточной инженерии позволило получать ранее недоступные вещества — в первую очередь лекарственные препараты (интерфероны, гормоны роста, инсулин человека и др.). Другое перспективное направление биотехнологии связано с получением гибридом и продуцируемых ими антител, последние уже сейчас широко используются в качестве лекарственных и диагностических препаратов и специфических реагентов.

Для того чтобы все возможности генетической инженерии стали реальностью, необходимо перенести ее методы из стеклянной лабораторной пробирки в стальные промышленные реакторы*. Биохимическая технология в настоящее время переживает период чрезвычайно бурного роста, который был стимулирован успехами в фундаментальных и теоретических исследованиях в области наук о жизни, заметно опередивших практическое использование результатов этих исследований. Достижениям фундаментальных наук посвящено немало изданий, опубликованных как в СССР, так и за рубежом; в то же время чрезвычайно важные проблемы, связанные с использованием этих достижений в производстве, освещались главным образом в специальной периодической литературе.

* Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984, с. 6.

В какой-то мере эту диспропорцию поможет исправить предлагаемый читателю перевод книги известных американских специалистов в области биохимической и химической технологии Дж. Бейли и Д. Оллиса, которые попытались охватить теоретические и практические аспекты всех основных проблем биохимической технологии*.

Основное внимание авторы уделяют математическому моделированию и методам расчета и проектирования аппаратов и процессов с участием биокатализаторов (клеток или ферментов). Эти проблемы рассматриваются ими главным образом с точки зрения взаимного влияния биологических и биохимических процессов, с одной стороны, и явлений переноса и конструкций биореакторов — с другой. Они сравнительно подробно останавливаются на особенностях иммобилизованных ферментов и клеток и их использовании в биотехнологии, вопросах стехиометрии и энергетики биотехнологических процессов, явлениях массо- и теплопередачи, конструкциях реакторов, типах и принципах работы контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, методах выделения и очистки продуктов биопроцессов, экономических аспектах биотехнологии, проблемах биологической очистки сточных вод.

Поставленная авторами задача настолько широка и многогранна, что, естественно, ряд проблем и тем освещены ими в какой-то степени фрагментарно. Этот недостаток частично компенсируют включенные в текст примеры конкретных процессов или расчетов, а также многочисленные упражнения и задачи, приведенные в конце каждой главы. Упражнения подобраны таким образом, чтобы читатель мог не только проверить степень усвоения материала, но и расширить приобретенные знания, поскольку решение задач часто требует ознакомления с дополнительной литературой, выполнения расчетов, а иногда и экспериментальных работ.

* Что касается литературы, изданной в СССР, то по широте и глубине охвата основных проблем биотехнологии (особенно ее практических аспектов) с настоящей книгой может конкурировать, пожалуй, только одна монография: Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н., Биохимическая технология и аппаратура. — М.: Пищевая промышленность, 1975. Последняя, однако, уже в известной степени устарела и, будучи издана небольшим тиражом, давно стала библиографической редкостью.

В 1988 г. выпущена еще одна книга, написанная коллективом авторов (Англия, США, Швейцария), представляющая собой учебник по биотехнологии, где особое внимание уделено связи биотехнологии и химической технологии: Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ./Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. — М.: Мир, 1988.

Книга Бейли и Оллиса представит большой интерес для очень широкого круга читателей. В первую очередь она предназначена для студентов и аспирантов, специализирующихся в области биохимической технологии. Она полезна и для инженерно-технических работников предприятий химической, микробиологической, медицинской и фармацевтической промышленности, для конструкторов и технологов проектных организаций соответствующего профиля. И наконец, этой книгой можно пользоваться и при самостоятельном изучении предмета, поскольку анализу любых проблем собственно биотехнологии в ней всегда предшествуют главы или разделы, в которых на очень доступном и в то же время вполне современном уровне изложены основы микробиологии, биологии и биохимии клетки, ферментативного катализа и молекулярной кинетики.

А. Кирюшкин

Предисловие авторов

Биохимическая технология имеет дело в основном с процессами, связанными с переработкой биологических материалов и с использованием биологических агентов, например клеток, ферментов или антител. Для успешного решения задач биохимической технологии необходимо владеть знаниями как основ биологии, так и методологией и стратегией химической технологии. Решение современных проблем биотехнологии базируется на использовании новейших данных и самой передовой технологии из обеих областей, и на этой основе разрабатываются новые биотехнологические процессы, способы их контроля и управления и намечаются пути их дальнейшего развития и оптимизации. Для того чтобы стать хорошим специалистом в этой области, нужны многолетние тщательное теоретическое изучение предмета и практическая работа.

Главная задача настоящего учебного пособия заключается в том, чтобы помочь читателю сделать первые шаги на этом чрезвычайно интересном и трудном пути. При этом все основные теоретические концепции рассматриваются с точки зрения их практического применения в биохимической технологии. В книге излагаются также основы способов проведения реакций и процессов разделения, используемых в настоящее время в биотехнологии. Особое внимание уделяется той центральной роли, которую играют биологические свойства систем в достижении цели данного процесса оптимальным путем. Мы также остановимся на различных осложнениях и ограничениях, обусловленных чувствительностью и неустойчивостью биологических компонентов систем. Концентрируя внимание на фундаментальных принципах биологических наук и технологии и постоянно подчеркивая необходимость их комплексного применения, мы стремились в первую очередь помочь читателю создать достаточно прочную основу для дальнейшего более тщательного их изучения и практической работы. Однако многолетняя успешная деятельность в такой чрезвычайно быстро развивающейся области, как биотехнология, возможна только в том случае, если специалист следит за всеми новейшими результатами фундаментальных исследований в биологии.

Настоящая книга представляет собой вводный курс по биохимической технологии, изучаемой студентами старших курсов и аспирантами, специализирующимися в области химической технологии. В то же время отдельные разделы и части книги могут послужить основой для других курсов по химической технологии, технологии пищевых продуктов и ряду других отраслей промышленности, в том числе связанных с охраной окружающей среды. Как и в первом издании, весь материал изложен систематично, в строгой логической последовательности, начиная с самых общих принципов биологии. Поэтому книгой можно пользоваться и при самостоятельном изучении предмета, например работникам промышленности.

Чтобы сделать ее более доступной для самостоятельного изучения и создать необходимую базу для одно- или полугодичного факультативного или вводного курса, в текст в качестве самостоятельных разделов включены основные положения биохимии, биологии клетки, кинетики ферментативного катализа и молекулярной генетики. Само собой разумеется, что в таких разделах дается только введение в эти отрасли науки и даже в совокупности они ни в коей мере не претендуют на полноту изложения основ наук о жизни в той мере, в какой это необходимо для тех, кто будет глубоко изучать биохимическую технологию или работать в этой области. Последним, очевидно, необходимо более глубокое изучение основ биологии и методов практической работы в индивидуальном порядке или по соответствующим программам высших учебных заведений.

В ходе изложения основ биологических наук мы старались постоянно иллюстрировать их примерами технологических процессов и методов анализа. На связь основ биологических наук с биохимической технологией часто указывается уже в разделах, посвященных основным концепциям биологии, а разработка конкретных инженерных решений рассматривается только после изучения соответствующего теоретического материала. Так, вопросы кинетики ферментативного катализа и технологии соответствующих процессов изложены непосредственно после описания белков и других биологически важных соединений, а кинетика роста клеток рассматривается вслед за описанием стехиометрии и регуляции путей метаболизма.

Примеры, приведенные в тексте, и упражнения в конце каждой главы дают читателю возможность самому проверить практическую применимость основных концепций и расширить представление об изучаемом предмете. Решение этих 150 упражнений различной степени сложности потребует от читателя необходимых обсуждений, самостоятельной работы с литературой или расчетов.

Основной причиной выпуска в свет второго издания настоящей книги послужил скачкообразный прогресс в биологических науках, революционизировавший наши представления о возможностях трансформации организмов и материалов и создании на этой основе новых веществ и процессов. Технология рекомбинантных ДНК и гибридом послужила базой для создания совершенно новой биотехнологической промышленности. В текст книги включены новые данные о методах клонирования и экспрессии генов, слияния клеток, а также об основных путях развития перспективных технологических процессов крупномасштабного производства сверхчистых веществ белковой природы.

Во втором издании большее внимание уделено ряду проблем технологии: например, включены новые главы, посвященные процессам разделения, приборного обеспечения и контроля биотехнологических процессов и их экономической эффективности, а также впервые освещены также другие важные темы, в том числе стехиометрия метаболических превращений, конструкция многофазных реакторов, технология процессов с участием животных и растительных клеток.

Кроме того, в процессе подготовки второго издания в текст были внесены многочисленные изменения, позволившие улучшить систематизацию и изложение материала. В частности, был сокращен, но тем не менее стал более информативным основной описательный материал, а также более системно рассмотрены вопросы стехиометрии, кинетики и конструкции биореакторов. Во втором издании также более подробно изложены важные проблемы коалесценции и диспергирования в многофазных реакторах.

Много ценных улучшений во второе издание было внесено благодаря обоснованным критическим замечаниям М. Шюлера, Д. Лауффенбергера, П. Рейлли, Ф. Арнолд, Д. Кирвана и Э. Гэйдена. В настоящем издании учтены также отдельные предложения, связанные с проблемами освещения фундаментальных исследований и (или) новыми упражнениями, которые внесены нашими коллегами, студентами и уже закончившими обучение специалистами.

Мы, наконец, хотели бы выразить нашу искреннюю признательность многочисленным друзьям, коллегам, студентам и руководителям, стимулировавшим наше становление как специалистов в биохимической технологии за годы, прошедшие с первого издания. Во многих отношениях они также являются соавторами этой книги.

Джеймс Э. Бейли Дэвид Ф. Оллис