Биотехнологии в россии. Российский рынок биотехнологий: лидеры отрасли, перспективные молодые проекты и инвесторы

\Обзор состояния российского рынка биотехнологической продукции

Бурное развитие биологии в конце 20 века, возникновение генной и кле­точной инженерии, а затем геномики и протеомики, привело к созданию новых биотехнологий, способных обеспечить полноценным питанием все население Земли, покончить с инфекционными заболеваниями, создать новую медицину, направленную на предотвращение развития болезней. Сегодня изменяется от­ношение к фундаментальной биологии. С одной стороны ее достижения мгно­венно используются для создания новых лекарственных препаратов, средств ди­агностики, в различных сферах хозяйственной деятельности, с другой все новые биотехнологии являются настолько наукоемкими, что фирмы, активно разви­вающие их, являются по существу научно-производственными комплексами, ве­дущими собственные не только прикладные, но и фундаментальные исследова­ния.

Сегодня биоиндустрия является одной из наиболее наукоемких отраслей про­мышленности в мире. Ее специфика - тесная связь фундаментальных иссле­дований и сопутствующих им прикладных разработок. Зачастую между ними нет временного разрыва: к промышленному освоению нового биотехнологи­ческого процесса и производству готовой продукции биоиндустрии присту­пают практически одновременно.

Биоиндустрию нельзя в настоящее время рассматривать как единую от­расль: ее процессы и продукты рассредоточены практически одновременно в химических, пищевых, энергетических и других производствах, и рынок продуктов биотехнологии весьма обширен. Это является причиной значи­тельных расхождений в оценках рынков биотехнологической продукции.

Общий объем, потребляемой в России, биотехнологической продукции составил в 2001 году около 45 млрд. руб. На отечественное производство приходится примерно 25-30 %. (чуть более 12 млрд. руб.). Основная масса рынка России удовлетворяется за счет импортных поставок. Объем таких поставок достигает примерно 33 млрд. руб. Емкость российского рынка мож­но предварительно оценить в 90-100 млрд. руб., то есть потребности рынка биотехнологической продукции удовлетворяются в настоящее время на 40-45 %, в том числе за счет отечественных производителей примерно 12-13%. В частности, степень удовлетворения потребностей рынка в фармацевтической биотехнологии составляет 51,3%, в пищевых и кормовых добавках – от 22 до 40%, в остальных отраслях – и того меньше.

Биотехнологические процессы используются в различных отраслях про­мышленности, в сельском хозяйстве , при производстве широкого спектра това­ров и услуг, поэтому биотехнологическая промышленность сильно диверсифи­цирована .

Наиболее бурно развивающейся отраслью биотехнологии является меди­цинская биотехнология. Мировой рынок фармацевтической биотехнологической продукции представлен классическими биотехнологическими продуктами - ан­тибиотиками, витаминами , вакцинами , ферментами и аминокислотами; а также т. н. «новейшими биотехнологиями» - генноинженерными лекарственными пре­паратами и вакцинами и диагностическими средствами нового поколения.

Номенклатура фармацевтических препаратов, получаемых с помощью биотехнологий, в России значительно уже мировой, и представлена нижесле­дующими препаратами.

Антибиотики.

В СССР производство антибиотиков базировалось на штаммах отечест­венной селекции, объемы производства составляли свыше 3000 т/год и обеспе­чивали антибиотиками все республики бывшего Союза и страны соцлагеря. К настоящему времени выпуск субстанций антибиотиков сократился в 4 раза, а го­товых форм для инъекций - в 2,2 раза. Общий объем производства отечествен­ных антибиотиков в 2000 году составил чуть более 1 тысячи тонн.

Иммунобиологические препараты.

На предприятиях Российской Федерации выпускается около 500 медицин­ских иммунобиологических препаратов. Отечественные препараты вакцин, ана­токсинов, иммуноглобулинов и альбуминов , бактериофагов, аллергены , интер-фероны, разновидности иммунодиагностиков и тест-систем, препараты нормоф-лоры часто не уступают по качеству зарубежной продукции. На сегодня, около 40 предприятий разных ведомств имеют лицензию на право производства МИБП. Производственных мощностей этих предприятий достаточно для обес­печения учреждений здравоохранения и санитарно-эпидемиологической службы основной номенклатурой МИБП.

Наиболее высококачественную и конкурентоспособную на внешнем рын­ке продукцию производят организации, представляющие собой единый ком­плекс научно-исследовательского института и мощной производственной базы, как, например, ВНИИ защиты животных (п. Юрьевец), ветеринарный институт (г. Казань), а также Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. . Стимулирование создания и развития, подобных научно-производственных центров должно стать одним из приоритетных направлений государственной политики, первым шагом в этом направлении могло бы быть уточнение правового статуса этих учреждений.

Генно-инженерные лечебно-профилактические препараты.

Исследования по генной инженерии, проводимые ранее широким фрон­том, позволили сконструировать продуценты десятков белков, продвинуться в технике ведения культур клеток и разработать технологию получения ряда пре­паратов.

В настоящее время предприятиями, созданными на базе ведущих науч­ных учреждений, налажен выпуск 4 генно-инженерных лекарственных препара­тов и 1 генно-инженерной вакцины.

Для организации промышленного производства этих препаратов не нуж­но больших производственных площадей, но требуется высокая технологическая культура.

Разработка технологии производства отечественного инсулина (потреб­ность страны, в котором составляет 200 кг субстанции в год и пока полностью покрывается за счет импорта) находится на стадии клинических испытаний (РАО «Биопрепарат»).

Диагностические средства in vitro.

В настоящее время в основном используются два вида иммунодиагности – иммуноферментный анализ и ДНК-диагностика. Иммунодиагностические тесты более распространены, чем ДНК-диагностика. Однако в последние 2-3 го­да рынок ДНК-диагностики активно растет, возникает новый вид биотехнологи­ческих компаний - геномные компании, появляются новые виды ДНК-диагностики - макро - и микроматрицы (биологические микрочипы). Рынок ДНК-диагностики развивается более динамично и в ближайшие годы превысит рынок иммунодиагностики

В России рынок ДНК-диагностики ориентирован, в основном, на платный сектор медицины. Объем рынка полностью покрывается отечественными произ­водителями. Отечественные системы ДНК-диагностики (ПЦР-диагностика) не уступают зарубежным аналогам по качеству, но в раз дешевле. Некоторые отечественные производители ферментов для ДНК-диагностики поставляют свою продукцию ведущим западным фирмам.

Постоянное совершенствование и расширение возможностей ДНК-диагностики уже сегодня позволяет использовать ее для решения проблем прак­тического здравоохранения, не решаемых с помощью имеющихся методов (на­пример, экспресс-диагностика новых форм туберкулеза). Развитие методов ДНК-диагностики и расширение спектра их использования в здравоохранении и ветеринарии должно занять достойное место в государственной политике под­держки биотехнологии.

Таким образом, общий объем выпуска фармацевтической биотехнологи­ческой продукции в 2000 г. составил приблизительно. 6,0 млрд. руб. В него не включена продукция, выпускаемая вновь созданными негосударственными предприятиями (в основном малыми), так как существующий порядок сбора ста­тистической отчетности не предусматривает представления ими данных об объ­емах и номенклатуре своего производства.

В последние годы в мире быстро растет производство лекарств и космети­ческих средств на основе натурального растительного сырья. Этот рынок актив­но развивается и в России. Так Государственный реестр лекарственных препара­тов из растительного сырья постоянно пополняется новыми препаратами, сейчас в него внесено более 600 наименований. По мнению экспертов, данный сектор имеет хорошие перспективы развития. Отмечается высокая конкурентоспособ­ность отечественной продукции, основанной на местном сырье и на традициях народной медицины . Однако насыщенность рынка этими препаратами составля­ет 25-30%. Возможно вследствие того, что многие подобные препараты регист­рируются как пищевые добавки.

Среди участников ежегодных выставок «Инновации в биотехнологии», примерно половина участников - фирмы-производители косметических средств и витаминных пищевых добавок из растительного сырья. Так как эти предпри­ятия являются частными или акционерными обществами , точные статистические данные об объемах их производств отсутствуют.

Определяя в целом сегодняшнее состояние биотехнологических про­изводств и используемых ими технологий, следует отметить, что при общем спаде объемов производства, номенклатура и разнообразие продуктов с исполь­зованием биотехнологий на российском рынке резко возросли. Необычайно воз­росший спрос на продукцию новых категорий создает основу для развития оте­чественных средних и малых биотехнологических предприятий, ориентирован­ных на выпуск продукции широкой номенклатуры.

Реальный возврат вложенных средств и получение прибыли на данном этапе возможен только от высокорентабельных предприятий, ориентированных на медицинскую, фармацевтическую, пищевую промышленности , сельское хо­зяйство и природоохранные мероприятия. Следует, однако, учитывать, что ранее существовавшие требования к качеству продукции, морально устарели. В со­временных условиях качество должно отвечать мировым стандартам и обеспечивать конкурентоспособность с импортными продуктами Последнее возможно при совершенствовании технологий с использованием оборудования нового по­коления. Только это может облегчить выход российской биотехнологической продукции на мировой рынок.

Передача - прием рисков в перестрахование между двумя конкрет­ными страховыми компаниями может быть разовой операцией (что ис­торически появилось раньше), а может осуществляться на регулярной основе. В силу чего перестрахование бывает необязатель­ным(факультативным) и обязательным (облигаторным).

Факультативный метод перестрахования отличается полной свободой возможных участников перестраховочной цессии. Необяза­тельность здесь заключается в том, что договор перестрахования может быть заключен, а может быть нет, соответственно, условия той и другой стороны могут быть приняты, а могут быть отвергнуты. Вопрос о за­ключении сделки такого рода с тем или иным перестраховщиком пере­страхователь решает в течение времени с момента подачи страховате­лем заявления на страхование до момента заключения договора прямого страхования. Перестрахователь передает потенциальным перестрахов­щиком информацию о риске, условиях прямого страхования, размере собственного удержания. Перестраховщики могут принять предложение перестрахователя, могут отказаться в силу каких-либо причин, а могут, проанализировав полученную информацию, предложить внести изме­нения в договор прямого страхования (в страховое покрытие, размер страхового тарифа, оговорки) или в размер собственного удержания це­дента. Перестрахователь, получив условия перестраховщиков, выбирает наиболее приемлемый для себя вариант и заключает договор.

Специфической особенностью данной формы перестрахования яв­ляется то, что размер страховой премии по такому договору зависит от спроса и предложения на цедируемый риск на перестраховочном рынке. По более востребованным рискам (с меньшей степенью реализации) страховая премия (цена страхования) будет меньше, по менее востребо­ванным - больше. Причем возможна ситуация, когда страховая премия по договору перестрахования может оказаться больше, чем страховая премия по договору прямого страхования.

Договор облигаторного перестрахования предполагает обяза­тельную уступку перестрахователем заранее согласованной части риска по всем заключаемым договорам прямого страхования. Перестрахов­щик, соответственно, обязан принять эти части риска.

Договоры перестрахования бывают пропорциональными и не­пропорциональными . Суть пропорционального страхования состоит в том, что риск, возмещение и страховая премия распределяются между перестрахователем и перестраховщиком в оговоренной договором про­порции.

К основным видами договоров пропорционального перестрахо­вания относятся квотные и эксцедентные договоры. Рассмотрим их суть в упрощенном варианте.

Поквотному договору перестрахователь передает перестрахов­щику в перестрахование согласно заранее установленному проценту (квоте) часть всех принятых на страхование рисков по определенному виду или группе видов страхования.

По эксцедентым договорам рассчитывается собственное удержа­ние цедента, а превышение над ним - эксцедент отдается в перестрахо­вание.

Непропорциональное перестрахование появилось позже пропор­ционального. Расчеты в этом случае строятся либо на основании окончательного финансового результата, либо на основе только очень крупного убытка. К непропорциональным видам договоров перестра­хования относятся договоры эксцедента убытка и договоры эксцедента убыточности.

По договорам эксцедента убытка перестраховщик участвует в возмещении убытков от страхового случая только при превышении ими обусловленной перестраховочным договором суммы.

Договор эксцедента убыточности отличается от предыдущего вида договоров тем, что перестраховщик участвует в покрытии убыточ­ности страховой суммы (представляющий собой отношение величины фактических страховых выплат к совокупной страховой сумме по дого­ворам данного вида страхования за определенный период), если убы­точность превысит установленный перестраховочным договором уро­вень.

Надо сказать, что имеется также множество видоизмененных и комбинированных договоров на основе перечисленных выше форм ор­ганизации отношений и видов договоров перестрахования.

Классификация продуктов биотехнологии.

I. В зависимости от количества.

1. Продукты тонкого биологического синтеза – от 100 кг до 1000 т в год – вакцины, витамины, антибиотики для медицины. основная стоимость связана с очисткой и анализом.

2. Продукты маломасштабного биосинтеза – до 20 тыс. тонн в год – аминокислоты для пищевой промышленности, напитки, продукты получаемые ферментацией, антибиотики для с/х.

3. Крупномасштабный биологический синтез – сточные воды после биологической очистки, биополимеры для отдельных отраслей промышленности – полисахариды для извлечения остатков нефти, выщелачивания Ме из руд. Основное условие - дешевизна. Более 20 тыс. тонн в год.

II. По товарным формам.

1. Биопрепараты – основной компонент – жизнеспособные клетки м/о или др. организмы закваски, бактериальные удобрения.

2. Инактивированная биомасса м/о – белок одноклеточных организмов.

3. Биопрепараты на основе очищенных метаболитов – ферменты, витамины, гормоны, антибиотики.

III. Образование биотехнологических продуктов в зависимости от стадии роста биологических объектов.

1. Первичные метаболиты.

2. Вторичные метаболиты.

Биотехнология наиболее развита в Японии (аминокислоты), США (1-я крупная биотехнологическая компания). В XXI в. ок. 20% продуктов станут продукцией биотехнологии. В РБ биотехнология отнесена к новым высоким технологиям. Это связано с ограниченностью ресурсов, никой энерго- и материалоемкостью биотехнологических производств. Возможностью использования местного сырья, экологичность биотехнологических проектов на фоне радиационного и химического загрязнения.

Основные потребители биотехнологической продукции:

Сельское хозяйство (ветеринария);

Пищевая промышленность;

Химическая промышленность.

Для развития ветеринарии требуется ок. 500 препаратов, ок. 100 получат методами биотехнологии.

Схема биотехнологического производства

Исходное сырье культивирование конечный продукт постеферментативная стадия

(ферментация) (целевой) (конечному продукту придается товарный вид,

(предферментация) ↓ утилизируются отходы производства)

(подогрев, размельчение аппаратура биологические объекты сырья и др.).

Характеристика биологических объектов биотехнологии

Клетки м/о – прокариоты и одноклеточные эукариоты (дрожжи, простейшие, водоросли);

Высшие растения;

Животные;

Трансгены;

Многокомпонентные системы, представленные клетками или определенными компонентами клеток.

Источники получения биологических объектов:

Коллекции культур;

Образцы природного материала. В этом случае необходимо получить чистую культуру м/о.

Компании двух центров биотехнологий - США и Европы - в 2015 году заработали более $133 млрд, а к 2017 году эта число превысит уже $220 млрд. Инвесторы называют биотехнологии самой интересной индустрией для вложений. Обозреватель сайт рассказал об известных биотехнологических компаниях, которые находятся в России, и об инвесторах и фондах, которые вкладывают средства в направление.

Современные биотехнологические проекты выглядят так, словно только что вышли из научно-фантастической книги. Например, американская компания Bioquark планирует оживить 20 клинически мертвых людей (результаты эксперимента будут доступны в апреле 2017 года), южнокорейский стартап Sooam Biotech готов клонировать домашнего питомца за $100 тысяч, а ученый Массачусетского технологического института создал компанию Elysium, которая разрабатывает таблетку, возвращающую молодость.

Цели и достижения этих компаний растиражированы СМИ, и на самом деле их успехи вполне могут оказаться более скромными. Однако инвесторы с особым интересом наблюдают за сферой биотехнологий. «Если бы в мире осталась одна ценная индустрия, я бы хотел, чтобы это были биотехнологии», - партнёр инвестиционного банка Stifel Nicolaus Чад Морганлэндер.

Центрами развития биотехнологий считаются США и Европа. К концу 2015 года в этих регионах было зарегистрировано пять тысяч публичных компаний, в которых работают более 200 тысяч человек, а объём индустрии составляет $350 млрд.

Биотехнологии повсюду - в США, например, более 90% кукурузы и сои являются генномодифицированной. В Европе ГМО запрещены в большинстве стран, но пища для скота также генетически модифицирована. Один из самых известных препаратов инсулина «Актрапид» также делается с помощью генной инженерии. Самым продаваемым биотехнологическим препаратом является «Хумира» (продано на $12 млн в 2014 году), которую используют при артрите.

Обозреватель сайт узнал, какие биотехнологические стартапы существуют в России и чем они занимаются.

Ohmygut

В феврале 2015 года в компанию инвестировал фонд Maxfield Capital. Инвестиции будут использованы для развития продукта, создания сети продаж и защиты интеллектуальной собственности.

Diagnostic Reagents & Devices, DRD

Компания DRD занимается разработкой диагностических устройств гемотестов, которые позволяют определить различные повреждения мозга: ишемический инсульт и черепно-мозговые травмы. Такие тесты можно применять в критических ситуациях, чтобы выяснить степень травмы больного.

В июне компания заняла второе место на международном конкурсе Asian Entrepreneurship Award в Токио и получила 500 тысяч йен ($5 тысяч) и три года бесплатной работы в токийском коворкинге. DRD является резидентом фонда «Сколково».

Экспресс-тесты работают на основе биомаркеров повреждения мозга - это пептиды и антитела к NMDA и AMPA рецепторам. Согласно многочисленным клиническим исследованиям, биомаркеры высоко специфичны и чувствительны к повреждениям мозга ишемического и травматического характера

- основатель DRD Анжей Жимбиев

«Моторика »

У компании по разработке протезов «Моторика» два продукта: тяговый активный протез кисти и миоэлектрический модуль искусственной кисти Stradivary. Первый протез подходит людям с частичными травмами кисти, при которых сохраняется подвижность лучезапястного сустава. Протез одевается сверху на поврежденную кисть.

Модуль Stradivary полностью заменяет поврежденную кисть и выполняет движения, считывая электрический ток, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения. Stradivary даёт возможность пользоваться ложкой, вилкой шариковой ручкой и прочими предметами мелкой моторики. Модуль находится на стадии прототипа и будет готов к испытаниям к ноябрю 2016 года.

Как и в случае с компанией MaxBionic, протез «Моторики» можно получить бесплатно, обратившись к производителю.

Какие фонды поддерживают биотехнологические стартапы

В России немало конференций и инвестиционных фондов, поддерживающих молодые компании и стартапы в сфере биотехнологий. В инновационном центре «Сколково» есть кластер « Биомед », который помогает «проектам инициированные врачами, химиками, биологами, генетиками конвертироваться в успешные бизнесы».

Исполнительным директором кластера биотехнологий «Сколково» является Кирилл Каем. До этого Каем был владельцем собственного бизнеса по дистрибуции медицинского оборудования и фармацевтики. Он также возглавлял холдинг Hygiene Kinetics, который производит целлюлозно-бумажные товары и федеральную сеть клиник «Альфа Групп».

Консалтинговая компания Frost & Sullivan отмечает

Биотехнология молочных продуктов

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это продукты, получаемые в результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее. До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд, внедрению новых методов в технологии брожения.

Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,0-3,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке.

Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1) первичная переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить развитие естественной микрофлоры. Затем молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается до 80 о С, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует.

Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает дополнительными вкусовыми веществами.

Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых грибков и молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований:

Состав заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина используется ацидофильная палочка, для производства простокваши - молочнокислые стрептококки);

Штаммы должны отвечать определенным вкусовым требованиям;

Продукты должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной;

Определенная активность кислотообразования;

Фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам);

Способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу);

Образование ароматических веществ;

Сочетаемость штаммов (без антагонизма между культурами);

Наличие антибиотических свойств, т.е. бактериостатическое действие по отношению к патогенным микроорганизмам;

Устойчивость к высушиванию.

Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического производства, которые можно рассмотреть на примере сыроварения.

Лекция 1

Классификация биотехнологических производств

по технологическим признакам

Биотехнологические методы применяются в химической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности в основе общего технологического признака биотехнологических производств является родственность процессов и оборудования.

Биотехнологические производства делятся на две большие группы.

1. Некоторые пищевые производства по переработке с/х сырья, например, бродильные (пивоварение, виноделие, хлеб и др.). Здесь не культивируются большие массы м.о. Биотехнологическим является какая-либо отдельная стадия процесса. Специфическое оборудование имеет малый удельный вес.

2. Производства, где культивирование м.о. является основной целью. Они делятся на две подгруппы.

2.1. Многотоннажные производства, в которых получают большие количества биомассы м.о. (дрожжи), органических кислот или спиртов. Здесь используется, в основном, глубинный метод культивирования. Высокая степень асептики не требуется, т.к. вероятность проникновения посторонней микрофлоры незначительна. Условия культивирования – температура, рН, состав (кислоты и спирты – до 5-10%, в производстве дрожжей – у.в. нефти) затрудняют рост посторонних м.о. Часто используются анаэробы и анаэробные способы культивирования, которые не способствуют развитию большинства патогенных микробов .

В этих производствах не требуется надежная стерилизация, тонкая очистка воздуха, герметизация и стерилизация оборудования.

Конечные продукты стабильны, и зачастую их выпускают в жидком виде без применения распылительной сушки, иногда применяется тепловая обработка.

2.2. Производства тонкого микробиологического синтеза с получением бактериальных препаратов и веществ со сложной структурой – антибиотики, ферменты, а.к., витамины, гормоны, вакцины и т.п.

Здесь основной стадией является выращивание м.о.

Особенностью этих производств является глубинное культивирование и повышенные требования к защите рабочей среды от проникновения посторонней микрофлоры. Это объясняется тем, что условия культивирования являются оптимальными для большинства представителей данной микрофлоры (рН 6,2-7,2, 25-35°, среды содержат у.в., белки и другие питательные вещества).

Продуцентом является не смесь, а индивидуально подобранный штамм.

Здесь высокие требования к герметизации и стерилизации оборудования.

Для выделения и очистки используют ряд сложных методов – экстракция, полный обмен и др. Особые требования предъявляются также к расфасовке и хранению продукции, которая выпускается обычно в сухом виде, поскольку продукт нестоек.

В то же время оборудование данной группы производств без существенных переделок легко приспосабливается под выпуск другой продукции.

Требования к асептике постоянно растут.

Особенности основной и звключительных стадий биотехнологического производства

Технологические процессы в биотехнологических производствах – такие же, как и в химических – массообменные, теплообменные, гидрохимические и механические. Но все они осложнены биологическим фактором.

Важнейшие аспекты биологического фактора заключаются в следующем.

1. Биологическим системам присуще саморегулирование, направленное на ускорение роста.

2. Клеточные м.о. имеют общий химический состав, который включает три класса сложных макромолекул – ДНК, РНК и белки.

3. Внутриклеточные процессы протекают с участием специфических белковых катализаторов-ферментов.

4. Вследствие малой концентрации ферментов ограничены возможности стимулировать рост м.о. путем увеличения концентрации субстрата.

5. На всякое внешнее воздействие в клетках возникает реакция, направленная в сторону, благоприятную для жизнедеятельности и на снятие воздействия.

6. Биологическая система развивается, ее состав и потребности меняются, необходимо постоянно регулировать условия ферментации.

7. Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, обладает сложными свойствами. Может переносить вещества как по градиенту, так и против градиента концентрации. Это затрудняет регулирование.

Все это объясняет, почему в биотехнологических производствах наряду с разработкой и созданием специального оборудования широко используется типовое химическое.

При проектировании новых биотехнологических производств решаются две задачи:

Масштабирование – расчет оборудования на основании данных, полученных в лабораторных условиях и на опытно-промышленных установках;

Оптимизация – выбор наиболее выгодного варианта схемы, режима, типа оборудования.

В научных исследованиях, проектировании и на производстве специалист должен знать закономерности и кинетику процессов, методы расчета и главные принципы аппаратурного оформления.

Основные характеристики процесса ферментации при глубинном культивировании

С точки зрения проектирования и методики расчета оборудования наибольшее значение в биотехнологии имеет классификация процессов по способу организации:

1) периодические;

2) непрерывные;

3) многоциклические;

4) объемно-доливные;

5) периодические с подпиткой субстрата;

6) полунепрерывные с подпиткой.

1) Периодический процесс: загрузка сырья и посевного материала производятся единовременно, затем некоторое время идет процесс, после чего ферментационная жидкость выгружается.

2) Непрерывный процесс – загрузка и выгрузка среды протекают непрерывно и одновременно с одинаковой скоростью; в итоге объем среды в аппарате не изменяется.

При такой организации не требуется приготовление посевного материала.

4) Объемно-доливные процессы – между загрузкой и выгрузкой протекают как периодические, но через некоторое время часть среды выгружают и заменяют свежей.

Интервалы между отборами здесь меньше, а число отборов больше, чем в случае (3), а отбираемая часть жидкости меньше.

Это – не строго периодический процесс, экономические характеристики по посевному материалу – лучше.

5) Периодический процесс с подпиткой субстрата – часть среды загружается в начале ферментации, а другая – добавляется непрерывно по мере протекания процесса. Естественным завершением является переполнение аппарата. Поэтому нужно завершать процесс быстро и как периодический с максимальным заполнением.

6) Полунепрерывные с подпиткой субстрата процессы сочетают объемно-доливные и подпиточные.

По достижении определенного состояния биологической системы после подпитки, часть жидкости отбирают, а затем постепенно добавляют субстрат до нового заполнения аппарата.

Фазы и параметры периодической ферментации

Если бы клетки делились синхронно, кинетика описывалась бы экспонентой по аналогии с химической реакцией. Но они делятся асинхронно, и подход иной: т.к. развитие популяции ограничено ресурсами среды.

Показатели роста биомассы:

Общая скорость (1)

Удельная, т.е. по Аррениусу (2)

В экспоненциальной фазе скорость не лимитирована и μ= const .

Если бы процесс с самого начала определялся этой зависимостью, то концентрация биомассы изменялась бы, начиная с X 0 по уравнению:

(3)

Т.к.

Пусть при τ =0, X = X 0 , но если X 0 , то X = X 0 .

После логарифмирования получаем:

Следовательно, в логарифмических координатах график прямолинейный и тангенс угла равен μ.

Другой показатель – время генерации – время, за которое биомасса удваивается. Можно показать, что:

Размерность μ – [ч -1 ] или [мин -1 ]

Для многих бактерий μ=0,5 или даже 1,0 мин -1 .

Для микроводорослей, растительных и животных клеток – на уровне 0,01 ч -1 .

Для грибов и актиномицетов – значения промежуточные: у психрофилов до 1 час -1 , у мезофилов – до 2, у термофилов – до 3 ч -1 .

Кинетика потребления субстрата.

S – концентрация субстрата

Удельная

Кинетика биосинтеза продукта метаболизма:

Обозначения:

X – концентрация биомассы, г/см 3

x – координата

P – концентрация продукта метаболизма

S – концентрация субстрата

Q x – скорость прироста биомассы

q – удельная скорость прироста биомассы (прирост на единицу биомассы)

τ – время

Q p – скорость образования продукта метаболизма

q p – удельная скорость образования продукта метаболизма

Q s – скорость потребления субстрата

q s – удельная скорость потребления субстрата