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
