Мікробіологічна промисловість – виробництво будь-якого продукту за допомогою мікроорганізмів. Здійснюваний мікроорганізмами процес називають ферментацією; ємність, в якій він протікає, називається ферментером (або біореактором).
Процеси, що протікають за участю бактерій, дріжджів і цвілевих грибів, людина застосовувала сотні років для отримання харчових продуктів і напоїв, обробки текстилю та шкіри, але участь в цих процесах мікроорганізмів була чітко показана тільки в середині ХІХ століття.
У ХХ столітті промисловість використовувала всю різноманітність чудових біосинтетичних здібностей мікроорганізмів, і тепер ферментація займає центральне місце в біотехнології. З її допомогою отримують різноманітні хімікалії високого ступеня чистоти і лікарські препарати, виготовляють пиво, вино, ферментовані харчові продукти. В усіх випадках процес ферментації розділяється на шість основних етапів:
1) створення середовища,
2) стерилізація,
3) отримання культури,
4) зростання в промисловому ферментері (біореакторі),
5) виділення і очищення продуктів,
6) переробка і ліквідація відходів ферментації.
Розглянемо кожний з цих етапів.
Створення середовища.Перш за все, необхідно вибрати відповідне культуральне середовище. Мікроорганізми для свого зростання потребують органічних джерел вуглецю, відповідного джерела азоту і різних мінеральних речовин. При виробництві алкогольних напоїв в середовищі мають бути присутніми осолоджений ячмінь, вичавки з фруктів або ягід. Наприклад, пиво зазвичай роблять з солодового сусла, а вино – з виноградного соку. Окрім води і, можливо, деяких добавок, ці екстракти і складають ростове середовище.
Середовище для отримання хімічних речовин і лікарських препаратів набагато складніше. Найчастіше як джерело вуглецю використовують цукор і інші вуглеводи, але нерідко масла і жири, а інколи вуглеводні. Джерелом азоту зазвичай служать аміак і солі амонію, а також різні продукти рослинного або тваринного походження: соєва мука, соєві боби, мука з насіння бавовнику, мука з арахісу, побічні продукти виробництва кукурудзяного крохмалю, відходи боєнь, рибна мука, дріжджовий екстракт. Складання і оптимізація ростового середовища є вельми складним процесом, а рецепти промислового середовища – секретом, що ретельно оберігається.
Стерилізація.Середовище необхідно стерилізувати, щоб знищити всі забруднюючі мікроорганізми. Самі ферментер і допоміжне устаткування теж стерилізують. Існує два способи стерилізації: пряма інжекція перегрітої пари і нагрівання за допомогою теплообмінника. Бажаний ступінь стерильності залежить від характеру процесу ферментації. Вона має бути максимальною при отриманні лікарських препаратів і хімічних речовин. Вимоги ж до стерильності при виробництві алкогольних напоїв менш строгі. Про такі процеси ферментації говорять як про «захищені», оскільки умови, які створюються в середовищі, такі, що в них можуть зростати тільки певні мікроорганізми. Наприклад, при виробництві пива ростову середовище просто кип'ятять, а не стерилізують; ферментер також використовують чистим, але не стерильним.
Отримання культури.Перш ніж зачати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисті культури мікроорганізмів зберігають в дуже невеликих об'ємах і в умовах, що забезпечують її життєздатність і продуктивність; зазвичай це досягається зберіганням при низькій температурі. Ферментер може вміщати декілька сотень тисяч літрів культурального середовища, і процес зачинають, вводячи в неї культуру (інокулят), що становить 1-10% об'єму, в якому йтиме ферментація. Таким чином, початкову культуру слід поетапно (з пересівами) ростити до досягнення рівня мікробної біомаси, достатнього для протікання мікробіологічного процесу з необхідною продуктивністю.
Абсолютно необхідно весь цей час підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами. Збереження асептичних умов можливе лише при ретельному мікробіологічному і хіміко-технологічному контролі.
Зростання в промисловому ферментері (біореакторі).Промислові мікроорганізми повинні зростати у ферментері при оптимальних для утворення необхідного продукту умовах. Ці умови строго контролюють, стежачи за тим, щоб вони забезпечували зростання мікроорганізмів і синтез продукту. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання – постійну температуру, pH (кислотність або лужність) і концентрацію розчиненого в середовищі кисню.
Звичайний ферментер є закритим циліндровим резервуаром, в якому механічно перемішуються середовище і мікроорганізми. Через середовище прокачують повітря, інколи насичене киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються по трубках теплообмінника. Такий ферментер з перемішуванням використовується в тих випадках, коли ферментативний процес вимагає багато кисню. Деякі продукти, навпаки, утворюються в безкисневих умовах, і в цих випадках використовуються ферментери іншої конструкції. Так, пиво варять при дуже низьких концентраціях розчиненого кисню, і вміст біореактору не аеруєтся і не перемішується. Деякі пивовари до сих пір традиційно використовують відкриті ємкості, але в більшості випадків процес йде в закритих циліндрових ємкостях, що не аеруються, які звужуються донизу, що сприяє осіданню дріжджів.
У основі отримання оцту лежить окислення спирту до оцтової кислоти бактеріями Acetobacter. Процес ферментації протікає в ємкостях, званих ацетаторами, при інтенсивній аерації. Повітря і середовище засмоктуються мішалкою, що обертається, і поступають на стінки ферментера.
Виділення і очищення продуктів.Після закінчення ферментації в бульйоні присутні мікроорганізми, невикористані живильні компоненти середовища, різні продукти життєдіяльності мікроорганізмів і той продукт, який бажали отримати в промисловому масштабі. Тому даний продукт очищають від інших складових бульйону. При отриманні алкогольних напоїв (провина і пиво) досить просто відокремити дріжджі фільтруванням і довести до кондиції фільтрат. Проте індивідуальні хімічні речовини, що отримуються шляхом ферментації, екстрагують з складного за складом бульйону. Хоча промислові мікроорганізми спеціально відбираються відповідно своїм генетичним властивостям так, щоб вихід бажаного продукту їх метаболізму був максимальний (у біологічному сенсі), концентрація його все ж мала в порівнянні з тією, яка досягається при виробництві на основі хімічного синтезу. Тому доводиться удаватися до складних методів виділення – екстрагування розчинником, хроматографії і ультрафільтрації.
Переробка і ліквідація відходів ферментації.При будь-яких промислових мікробіологічних процесах утворюються відходи: бульйон (рідина, що залишилася після екстракції продукту виробництва); клітки використаних мікроорганізмів; брудна вода, якою промивали установку; вода, що застосовувалася для охолоджування; вода, що містить в кількостях слідів органічні розчинники, кислоти і луги. Рідкі відходи містять багато органічних сполук; якщо їх скидати в річки, вони стимулюватимуть інтенсивне зростання природної мікробної флори, що приведе до збіднення річкових вод киснем і створення анаеробних умов. Тому відходи перед видаленням піддають біологічній обробці, щоб зменшити вміст органічного вуглецю.