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

Введение в микробиологию

Жизнь человека связана многочисленными нитями с крохотными живыми существами, называемыми микроорганизмами. В масштабе биосферы в целом, включающей все регионы планеты, где существует жизнь, микроорганизмы играют важнейшую роль в усвоении солнечной энергии. Биологическая деятельность микроорганизмов является одним из основных этапов в кругооборотах углерода, кислорода, азота и других необходимых для жизни элементов. С другой стороны, микроорганизмы вызывают различные заболевания человека, животных и растений.

В настоящей книге основное внимание будет уделено использованию микроорганизмов человеком. Эти универсальные биологические катализаторы служат человечеству уже многие тысячи лет. Древние греки приписывали богу Дионису изобретение процесса брожения в виноделии, а на «Голубом монументе», датируемом седьмым тысячелетием до нашей эры, изображен процесс пивоварения в Вавилоне. В питании человека уже давно большую роль играют процессы брожения, с помощью которых получают, например, сыр, хлеб, йогурт и соевый соус. В конце прошлого века Пастер и Тиндалл показали, что любые процессы брожения инициируются микроорганизмами; тем самым было положено начало микробиологии как науки. Эти работы стимулировали дальнейшие исследования, и уже в начале двадцатого века Бухнер, Нейберг и Вайцманн разработали технологические схемы производства этанола, глицерина и других химикатов.

В сороковых годах нашего столетия успехи биологии, генетики микроорганизмов и технологии ознаменовали начало эры антибиотиков, позволивших избавить человечество от ряда заболеваний и существенно повысить среднюю продолжительность жизни. В этот период и родилась биохимическая технология, т. е. технология, в которой используются катализаторы, исходные вещества и (или) сорбенты биологического происхождения. Началось превращение биотехнологии из эмпирического искусства в область предсказуемой, поддающейся планированию и оптимизации технологии.

На следующем этапе развития биохимической технологии были разработаны способы получения стероидов, предназначенных для контроля рождаемости, а также для лечения артрита и воспалительных процессов. Применение методов культивирования растительных и животных клеток позволило наладить массовое производство вакцин и других ценных биологических препаратов. Не вызывает сомнения тот факт, что успешное использование и целенаправленное изменение клеточных процессов человеком оказало огромное воздействие на различные стороны жизни прошлых и живущих ныне поколений, в том числе на проблемы здравоохранения, экономики, охраны окружающей среды и на социальные вопросы.

Результатом комплексных работ в области молекулярной биологии и генетики микроорганизмов явилось понимание основ различных способов контроля и катализа, лежащих в основе биосинтетических процессов в живых клетках. Эти теоретические работы послужили основой для разработки методов технологии рекомбинантных ДНК, возможности применения которых настолько велики, что с трудом поддаются воображению. Таким путем уже производятся новые вакцины и лекарственные препараты, но это только начало будущих поистине революционных преобразований.

В изучении биохимической инженерии наша задача будет заключаться в том, чтобы читатель смог понять суть биотехнологических процессов, научился их анализировать и на этой основе разрабатывать и рационально использовать новые процессы. Для этой цели, однако, необходимо овладеть минимумом знаний о росте и функциях клетки. Эти факторы и ряд других особенностей биологического характера обычно определяют весь биотехнологический процесс. Представим себе, что живой микроорганизм в самом первом приближении можно рассматривать как саморасширяющийся химический реактор, который потребляет из среды определенные соединения, называемые питательными веществами, растет, самовоспроизводится и выделяет продукты жизнедеятельности в окружающую среду. В таких случаях, как очистка сточных вод, цель технологического процесса состоит в усвоении питательных веществ (в данном случае загрязняющих органических веществ). Если же микроорганизмы выращивают в качестве источника пищи или компонента пищевой смеси, то в результате процесса получают микробную массу. Напротив, в процессе очистки сточных вод эта микробная масса, образующаяся в процессе усвоения питательных веществ, оказывается нежелательным побочным продуктом, и ее количество должно быть сведено к минимуму. Наконец, во многих естественных процессах и в промышленном производстве, например при получении пенициллина или этанола, основной интерес представляют продукты, образующиеся в результате жизнедеятельности клеток и выделяемые ими в среду. На относительные скорости усвоения питательных веществ, роста клеток и выделения продуктов жизнедеятельности в очень большой степени влияет тип клеток, а также температура, состав и способ перемешивания среды. Для понимания этих взаимосвязей необходимо знать основы биохимии, биофизики и биологии клетки. Значительная часть настоящей книги будет посвящена этим дисциплинам, поскольку их изучение обычно не включают в программы подготовки инженеров и технологов.

Во всех случаях, когда это только представляется возможным, мы будем давать не только качественную оценку биологических процессов, но и приводить соответствующие математические выражения, характеризующие количественную сторону этих процессов. Часто эти математические модели будут чрезмерно упрощенными и идеализированными, поскольку даже единичный микроорганизм представляет собой очень сложную систему. Тем не менее основные концепции микробиологии будут полезными для создания математических моделей и проверки их корректности так же, как, например, основные положения гидродинамики позволяют понять корреляцию между коэффициентом трения и числом Рейнольдса.