Любой новый биотехнологический производственный процесс сначала должен быть опробован в масштабе лаборатории. После предварительных исследований на обычном лабораторном оборудовании создают опытную установку. В ней используется относительно небольшой ферментер объемом от 2 до 200 дм3. Ферментер — это резервуар, в котором протекает процесс. Чтобы выход продукции был максимальным, необходимо определить оптимальные физические условия и потребности в питательных веществах.
Когда процесс требуется расширить от опытного производства до полномасштабного, где объемы составляют тысячи дм3, в игру вступают новые факторы. Не исключено, что в некоторых случаях такой переход просто невозможен. Ниже перечислены некоторые из важнейших факторов.
1. Главная проблема — поддержание стерильных условий. Легко загрязнить как то, что вводится в ферментер, так и то, что из него выводится. С опытом инженерные технологии улучшались, и хорошим примером успехов, достигнутых в использовании асептических методов, является производство белка одноклеточных, названного прутином.
2. Самые большие проблемы при переходе от одного масштаба к другому создают физические факторы, такие как смешивание и аэрация среды и зашита от перегревания. Эти проблемы решают инженеры-химики. Некоторые из подобных проблем обсуждаются ниже.
3. Чтобы обеспечить хороший доступ кислорода к культурам, выращиваемым в крупном масштабе, необходимо аэрировать среду, поскольку простого встряхивания, которое используется в лаборатории, недостаточно. Маленькие пузырьки более эффективны, чем большие, поэтому для подачи воздуха используется разбрызгиватель (трубка с маленькими отверстиями). Для повышения турбулентности и эффективности растворения кислорода в воде, в стенки сосуда встраивают отражательные перегородки, благодаря которым увеличивается время прохождения пузырьков воздуха через ферментер.
4. Чтобы уменьшить вспенивание, вызываемое взбалтыванием и аэрацией, необходимо использовать пеногасители.
5. Активная жизнедеятельность микроорганизмов при крупномасштабном производстве сопровождается выделением тепла. Поэтому для охлаждения вокруг ферментера должна циркулировать вода.
6. При крупномасштабном производстве гораздо труднее поддерживать постоянные условия среды, такие как концентрация питательных веществ и кислорода, а также рН. Для мониторинга и контроля необходимы сложные установки. Попытки обойти эти трудности, допустим, путем взбалтывания среды, могут привести к непредвиденным последствиям, например к изменениям в распределении микроорганизмов в культуре. В производстве прутина первоначальный выход продукта был значительно ниже, чем предсказывали на основании экспериментов, проведенных в лабораторных условиях и на опытной установке. Оказалось, что это связано с добавлением в ферментер метанола, который являлся для бактерий единственным источником углерода и энергии. Поскольку метанол добавляли в ферментер в одном определенном месте, циркулирующие бактерии последовательно проходили через стадии «пиршества и голода», так как один оборот они совершали за несколько минут. Когда метанол стали добавлять в разных местах ферментера, продукция выросла до ожидаемого уровня.
7. Микроорганизмы способны изменять свой метаболизм в зависимости от окружающих условий, а в больших масштабах гораздо труднее точно контролировать условия. Любые незначительные изменения продукта могут оказаться вредными для людей или животных, потребляющих этот продукт.
8. Чем сложнее оборудование и процедуры, тем больше вероятность дефектов или аварий, причем их экономические последствия могут быть катастрофическими. Поэтому важно заранее оценить их при принятии решения об экономической обоснованности проекта.
9. При крупномасштабном производстве приходится доставлять, стерилизовать и выбрасывать большие количества воды.
10. Исходные материалы, которые потребляются в больших количествах, должны быть легко доступны, стабильны, удобны для работы и хранения. Химические изменения и микробное загрязнение хранящегося материала должны быть минимальны. Исходные реагенты должны быть дёшевы, так как стоимость — один из важнейших факторов производства.
11. Иногда штаммы микроорганизмов, отобранные для использования в ферментативном процессе, легко ревертируют (за счет мутации) и снова становятся низкопродуктивными штаммами, которые растут гораздо быстрее. При расширении масштабов производства вероятность такого события существенно возрастает.
12. Порошкообразные вещества, используемые в работе в больших количествах, могут быть опасны для здоровья рабочих.
13. Материалы, используемые при конструировании ферментера, должны быть устойчивы к коррозии, чтобы исключить загрязнение следовыми количествами металла. Кроме того, они должны быть нетоксичными для микроорганизмов и устойчивыми к стерилизации паром под высоким давлением.
14. При крупномасштабной ферментации, в особенности когда используются генетически модифицированные организмы, возникают дополнительные опасности. Они обусловлены возможностью более мощного воздействия на людей как куль-тивируемого микроорганизма, так и его биологически активного продукта, по сравнению с масштабом обычной лаборатории.
