Критерии оценки эффективности процессов

В биотехнологии при выборе метода получения конкретного целевого

продукта обязательно должна производиться технико-экономическая

оценка альтернативов получения подобных продуктов традиционными

методами. По сравнению с известными биотехнологические процессы

должны быть более технологичными, экономичными и экологичными

либо вообще должны исключать альтернативы. Оценка альтернативности

вариантов только через себестоимость продукта – односторонняя. Оцен-

кой эффективности биотехнологии, помимо качества получаемого про-

дукта, может служить сопоставление экспериментального и теоретическо-

го выхода продукта, рассчитанные по материально-энергетическому ба-

лансу процесса. При этом затраты и стоимость сырья в крупномасштаб-

ных биотехнологических процессах, как правило, являются определяю-

щими, поэтому материально-энергетическая оценка в данном случае

очень существенна. И, напротив, при использовании процессов на основе

высокопродуктивных рекомбинантных штаммов-продуцентов основная

доля затрат относится не к сырью, а к созданию продуцента и его поддер-

жанию, а также разработке специальных условий его культивирования, то

есть в данном случае экономика сырьевых и энергоресурсов играют вто-

ростепенную роль.

В любом биотехнологическом процессе ключевую роль играет биоло-

гический агент, его природа и физиолого-технологические свойства. Для

роста любого биообъекта нужен исходный жизнеспособный посевной ма-

териал, источники энергии и углерода, питательные вещества для синтеза

биомассы, отсутствие действия ингибиторов роста, соответствующие фи-

зико-химические условия ферментации (рН, температура, аэрация и др.).

Одним из основных показателей, характеризующих адекватность ус-

ловий ферментации, служит скорость роста продуцента. Скорость роста

(увеличение биомассы) организмов с бинарным делением в хорошо пере-

мешиваемой среде в периодической культуре будет пропорционально

концентрации микробной биомассы:

dX / dt = μ X,

где dX / dt – скорость роста, Х – биомасса, μ – коэффициент пропорцио-

нальности, («удельная скорость роста»); параметр аналогичен сложным

процентам (например, если удельная скорость роста равна 0.1 ч–1, – значит

увеличение биомассы равно 10 % в час). Если величина μ постоянна, как

это бывает в установившемся режиме культивирования, то интегрирова-

ние представленного уравнения дает:

ln X = ln X 0 + μ t,

где Х 0 – биомасса в начальный период времени t.

График зависимости ln X от времени будет иметь вид прямой линии с

наклоном μ. Удельная скорость роста является одним из основных пара-

метров, характеризующих физиологическое состояние продуцента; ряд

других параметров может быть выражен через этот показатель.

Продуктивность процесса характеризуется количеством продукта,

получаемого на единицу объема биореактора в единицу времени. Продук-

тивность процесса зависит от многих факторов: активности продуцента,

значений коэффициента выхода продукта из потребленного субстрата,

количества активной биомассы в ферментере:

П = q s Y p/s X [г/л ч.],

где q s – скорость потребления субстрата (метаболический коэффициент),

Y p/s- выход продукта (экономический коэффициент), X – концентрация

биомассы, P – продукт, S – субстрат.

Влиять на величину продуктивности можно путем изменения различ-

ных ее составляющих, но в каждом конкретном случае это приходится

рассматривать отдельно. Так, при повышении величины Х могут возник-

нуть ограничения по массообменным характеристикам аппарата и лими-

тирующие состояния; влиять на величину метаболического коэффициента

культуры возможно только при условии глубокого знания взаимосвязей

между физиолого-биохимическими характеристиками продуцента и усло-

виями среды.

Выход продукта (Y) (экономический коэффициент) определяется

как количество продукта, получаемого из данного количества субстрата:

Y = X / S о – S,

где S и S o – конечная и исходная концентрация субстрата.

Данный коэффициент выражает эффективность использования суб-

страта для получения целевого продукта и является очень важной харак-

теристикой, так как непосредственно связан с продуктивностью и позво-

ляет непосредственно влиять на себестоимость конечного продукта. Эко-

номический коэффициент имеет четкий физический смысл, характери-

зующей степень перехода энергии, заключенной в субстрате, в продукт.

Данная величина необходима для расчетов и прогнозирования процесса в

целом и используется в качестве параметра для контроля и управления

ходом различных процессов и сопоставления их эффективности.

Конечная концентрация продукта должна планироваться с учетом

продолжительности процесса и величины выхода продукта. Достижение

конечной высокой концентрации продукта оправдано, когда выделение,

концентрирование его трудоемки и дорогостоящи.

Удельные энергозатраты существенно варьируют в зависимости от

направленности и схемы процесса ферментации, а также условий подго-

товки сырья на предферментационной стадии и постферментационных

процедур. Удельные энергозатраты также очень существенно зависят от

типа ферментационного оборудования.

Непродуктивные затраты субстрата (h) – это затраты энергии суб-

страта, которые не проявляются в приросте продукта. В общем виде они

выражаются через экономический коэффициент:

h = Y экспериментальный/ Y теоретический < 1.

Непродуктивные затраты существенно влияют на эффективность и

экономику биотехнологического процесса, поэтому выявление причин и

мест этих дополнительных трат энергического субстрата очень важно.

Непродуктивные затраты субстрата могут быть связаны с ошибками при

считывании генетической информации в ходе быстрого роста продуцента

и затратами на поддержание при разобщенном росте в результате сниже-

ния эффективности образования энергии в цепи переноса электронов из-за

разобщения окисления и фосфорилирования, инактивации мест сопряже-

ния, возникновения альтернативных, менее эффективных ветвей, с дисси-

пацией энергии, а также из-за возрастания трат энергии на поддержание

жизни без размножения (транспорт субстратов и мономеров в клетке, ре-

синтез молекул, защитные реакции, процессы репарации).

Первичная оценка эффективности биотехнологических процессов по

перечисленным параметрам проводится на стадии лабораторных разрабо-

ток и испытаний процесса и далее уточняется при масштабировании на

опытных и опытно-промышленных стадиях.

КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ