ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящее время все большее значение приобретает применение биохимических процессов в различных отрас­лях народного хозяйства, для производства продукции, используемой в медицине, сельском хозяйстве и раз­личных отраслях промышленности.

Под биотехнологическими процессами понимается техническое использование биохимических процессов, протекающих в живой клетке.

Большинство биохимических реакций в организме являются каталитическими. Чтобы процессы в живых клетках протекали с большей скоростью в неопти­мальных условиях (отсутствие высокой температуры и высокого давления), нужны биологические катализа­торы, по своей эффективности значительно превышаю­щие катализаторы, используемые промышленностью.

Биологические катализаторы характеризуются такими свойствами, как высокая активность и селективность, большая скорость превращений, сравнительно низкая температура процессов (20 — 40 °С), отсутствие необходи­мости повышенного давления. Использование принципов биологического катализа, осуществляемого природой, в промышленном масштабе позволяет по-новому пере­строить целые отрасли промышленности, значительно расширяет ресурсы для сельского хозяйства и ассорти­мент лекарственных препаратов.

Биологическими катализаторами являются синтези­руемые в организмах ферменты (или энзимы), гормоны, а также вносимые извне витамины. Наибольшее значение для науки и техники имеет ферментативный катализ. Из­вестны технологические процессы, основанные на приме­нении ферментов в качестве технических катализаторов. Однако таких процессов в промышленности мало, меха­низм ферментативных превращений недостаточно изучен, а ферменты, выделенные из клетки и находящиеся в «изолированном» виде, достаточно дороги, высокочув­ствительны, легко разрушаются и т. д.

В промышленности биологические процессы осущест­вляются при помощи микроорганизмов, в состав клеток которых, также как и в состав других живых клеток, вхо­дят белки, ферменты, аминокислоты, липиды, витамины и другие органические вещества. В результате активности находящихся в клетке ферментов не только увеличивает­ся биомасса клеток, но и синтезируются различные ценные внеклеточные вещества. Биомассу можно исполь­зовать как источник получения пищевых продуктов (дрожжи) и в животноводстве.

При оптимальных условиях в промышленности мож­но получить до 100 г/л сухой биомассы. Бактерии за сут­ки могут переработать объем веществ, в 30 — 40 раз пре­вышающий массу самих клеток. При выращивании кор­мовых дрожжей в 1 м³ питательной среды за 1 ч можно получить около 3 кг биомассы дрожжевых клеток в пере­счете на сухое вещество. Это означает, что за сутки с ка­ждого 1 м³ аппарата (биохимического реактора) можно • получить около 30 кг белков. Для получения такого же количества животных белков в сутки необходимо дер­жать 100 коров, а для производства такого же количества растительных белков потребовалось бы 18 га посевов гороха.

Огромное значение для интенсификации сельского хо­зяйства имеют микробиологические процессы производ­ства кормовых дрожжей, бактериальных удобрений, бактериальных средств защиты растений. Биотехнологиче­ские процессы (молочно-кислое, дрожжевое, спиртовое, виннокислое брожение) веками используются человеком в пищевой промышленности. Большое применение имеет микробиологический процесс производства аминокислот (лизина, триптофана, глутаминовой кислоты и др.), липидов, полисахаридов, витаминов, гормонов, антибиотиков и ферментных препаратов. В перечисленных областях ми­кробиологические методы высокоэффективны и не имеют себе равных.

В последнее время получили широкое распростране­ние микробиологические процессы производства органи­ческих кислот, спиртов, растворителей, микробиологиче­ская очистка сточных вод, т. е. процессы, ранее тради­ционно осуществляемые химическими, физико-химиче­скими и физическими методами.

По сравнению с химическими и физико-химическими микробиологические процессы имеют ряд преимуществ: реакции протекают при сравнительно низкой температу­ре, нормальном давлении, в сравнительно простом по конструкции оборудовании. Благодаря этому упрощается технологический процесс, снижаются капиталовложения и эксплуатационные расходы.

Для культивирования микроорганизмов обычно ис­пользуют дешевое и недефицитное сырье, например по­бочные продукты промышленности и сточные воды. В качестве источников сырья в микробиологическом син­тезе широко используют нефть, продукты и отходы ее переработки, природный газ, сапропель (озерный ил), ме­лассу, представляющую собой побочный продукт сахар­ной промышленности, молочную сыворотку, являющую­ся отходом при производстве сыра, казеина и творога, а также отходы производства основной химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Основанные на процессах жизнедеятельности микро­бов, микробиологические процессы подразделяются на аэробные, идущие в атмосфере кислорода, и на анаэ­робные — в отсутствии последнего. В технике наиболь­шее значение имеют аэробные процессы. Задачи совре­менной микробиологии настолько разнообразны, что в настоящее время из нее выделился ряд специальных дисциплин: техническая, пищевая, сельскохозяйственная, медицинская, санитарная микробиология и т. д.