Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств

ИНЖЕНЕРНАЯ 
БИОТЕХНОЛОГИЯ

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ 
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

А.В. ЛУКАНИН

Рекомендовано 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК  663.1(075.8)
ББК 30.16я73
 
Л84

А в т о р:
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор

Р е ц е н з е н т ы:
Градова Н.Б., доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии 
Российского 
химико-технологического 
университета 
им. Д.И. Менделеева;
Ксенофонтов Б.С., доктор технических наук, профессор, руководитель 
отдела НИИ энергетического машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

ISBN 978-5-16-011479-8 (print)
ISBN 978-5-16-103738-6 (online)
© Луканин А.В., 2016

Луканин А.В.
Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологических производств : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 304 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/18209.

ISBN 978-5-16-011479-8 (print)
ISBN 978-5-16-103738-6 (online)
Приведен практический материал по технологии получения продуктов 
микробиологического синтеза для пищевой, микробиологической, медицинской, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности. 
Рассмотрены типовые схемы и основные стадии биотехнологического 
производства при поверхностном и глубинном культивировании, а также 
процессы получения стерильного сжатого воздуха, стерилизации питательных сред, аэрации, перемешивания, пено образования, пеногашения. 
Дана классификация и описание применяемых аппаратов, приборов, материалов с практическими рекомендациями их эффективного использования, а также методы оценки работы и расчета аппаратов. 
Учебное пособие соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего 
поколения.
Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и работающих в области промышленной биотехнологии.

УДК 663.1(075.8) 
ББК 30.16я73

Л84

Введение

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в практической деятельности человека. К ним 
относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисломолочных 
продуктов и т.д. Однако биологическая сущность этих процессов 
была выяснена лишь в XIX в. благодаря работам Л. Пастера. В первой 
половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
В СССР в 1930-е гг. были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, успешно внедрена 
технология микробиологического производства ацетона и бутанола. 
В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для освоения производств антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов. Разработаны технологии по получению 
новых источников энергии биотехнологическим путем – технологическая биоэнергетика.
Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области биохимии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали 
предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития 
биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершенствование 
технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей 
растений и животных позволили разработать методы генетической 
и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно 
создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально 
новое направление биологической науки, которое сегодня ставят 
в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притяжения и созданием средств электроники. 
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов 
открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, 
обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных 
отраслях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, 
качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно 
управлять клеточными процессами. Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке 
биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку 
объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию 
и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых 
различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных 
физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др.
В качестве основных задач биотехнологии определены создание:
 
•  новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины, позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний – 
сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных; 
 
•  микробиологических средств защиты растений от болезней 
и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста 
растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической 
и клеточной инженерии;
 
•  кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового 
белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; 
новых методов биоинженерии для профилактики, диагностики 
и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных;
 
•  новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов 
для использования в пищевой, химической, микробиологической 
и других отраслях промышленности;
 
•  технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных 
и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных 
выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ

Биотехнологические процессы основываются на функционировании либо клеток, либо изолированных из них биологических 
структур, чаще всего ферментов. В производствах большинства 
органических кислот и аминокислот, растворителей, ферментов, 
полисахаридов и т.д. – ферментационный процесс реализуют, используя активные, специально селекционированные культуры микроорганизмов. Культуры микроорганизмов применяют также при 
тонком биосинтезе антибиотиков, витаминов, гормонов. Даже если 
процесс ферментации осуществляют биологические агенты, полученные методами генной и клеточной инженерии, важно знать 
общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять 
их ростом и метаболизмом и получать целевой продукт с максимальным выходом и при высокой интенсивности процесса ферментации. Именно поэтому мы считаем, что биотехнология начинается 
с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности.

1.1. ЖИВАЯ КЛЕТКА – ОСНОВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению 
чрезвычайно большого разнообразия живых существ. По химическому составу они очень сходны: основные компоненты всякой 
клетки – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая 
кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и др. Однако имеются заметные различия между клетками бактерий и цианобактерий, с одной стороны, и животными и растительными клетками 
(включая также микроскопически малых представителей) – с другой. 
Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли), не имеющие 
окруженного мембраной ядра и других окруженных мембраной внутриклеточных органелл, называют прокариотами. Клетки животных, 
растений, водорослей, грибов и простейших имеют истинное ядро, 
в котором находится ДНК в виде хромосом, и другие органеллы, например митохондрии и хлоропласты (у растений). Такие организмы, 
в том числе и одноклеточные с подобной организацией клеток, называют эукариотами.
Условно к живым существам можно отнести вирусы, которые 
не способны размножаться самостоятельно и их репродукция может 
происходить только внутри живых клеток.
Первичным источником энергии для биологических процессов 
является Солнце. Каждую секунду оно излучает такое количество 

энергии, которое эквивалентно примерно 4 млн т массы. Часть солнечной энергии доходит до Земли в виде фотонов света (квантов) – 
дискретной электромагнитной энергии, из которой только от 0,1 
до 1,0% используется фотосинтезирующими организмами. Но даже 
из этого количества усвоенной энергии в течение года в процессе 
фотосинтеза образуется 164 млрд т органической массы.
Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию, 
отщепляют от молекулы воды водород и выделяют кислород. В процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды с использованием 
солнечной энергии образуются органические вещества, в первую 
очередь глюкоза.
Солнечный свет как источник энергии могут использовать также 
пурпурные и зеленые бактерии. Эти бактерии не способны использовать водород воды и поэтому не выделяют О2. Донорами водорода для этих клеток служат H2S, H2 или органические вещества. 
У данных бактерий фотосинтез осуществляется через бактериохлорофиллы, а их красная и оранжевая окраска обусловливается каротиноидами.
В природе встречаются также микроорганизмы, которые способны синтезировать органические соединения из СО2 без помощи 
хлорофилла и без прямого использования солнечной энергии. 
Источником энергии здесь служит энергия окисления неорганических веществ. К таким хемосинтезирующим микроорганизмам 
относятся нитрифицирующие бактерии, которые, окисляя аммиак 
до азотистой кислоты, высвобождают необходимую для синтеза 
энергию. К хемосинтетикам относятся также водородные бактерии, 
получающие энергию в процессе окисления молекулярного водорода. Водородные бактерии, культивируемые в питательной среде, 
которая содержит минеральные вещества и смесь газов Н2, O2 и СО2, 
дают богатую белками микробную массу. Так как Н2 и О2 можно получить электролизом воды, пригодную для целей питания и животноводства органическую массу можно добывать из минеральных 
веществ, воды, воздуха и электроэнергии.
Как известно, микроорганизмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из СО2 в процессе хемо- или 
фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для существования которых необходимы уже готовые органические вещества, – гетеротрофными. В круговороте углерода в природе принимают участие как авто-, так и гетеротрофные организмы, причем 
существует определенное равновесие между фиксирующими СО2 
фотосинтезирующими организмами (главным образом растениями) 
и микроорганизмами, разрушающими органические соединения.
К наиболее распространенным в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам отно

сятся микроскопические грибы (дрожжи и плесени), актиномицеты 
(образуют подобие мицелия), а также бактерии. Размеры их клеток 
обычно 0,5–10,0 мкм, они хорошо видны в световом микроскопе. 
Размер вирусов колеблется от 10 до 100 нм, а вироиды и того меньше. 
В клетках бактерий паразитируют бактериофаги, или вирусы бактерий. Они не видны в обычном световом микроскопе.
В биотехнологии широко используют также культуры клеток 
и тканей животных и растений, техника работы с которыми во 
многом сходна с техникой работы с микроорганизмами [2; 14].

1.2. МИКРООРГАНИЗМЫ, ИХ СВОЙСТВА

Все виды микробов носят название «протисты», или «простейшие». Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру, 
именуются протофитами (простейшие растения), а к животному 
миру – протозоями (простейшие животные).
Большинство микроорганизмов – одноклеточные существа, видимые только под микроскопом. К ним относятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, риккетсии и некоторые водоросли.
К многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и большинство плесневых грибов, которые иногда достигают таких размеров, что бывают видимы невооруженным глазом.
Кроме многоклеточных и одноклеточных микроорганизмов, 
в природе существуют живые существа бесклеточной структуры – 
ультрамикробы. Из них наиболее важное значение имеют вирусы 
и бактериофаги.

Бактерии
Это обширная группа мельчайших, преимущественно одноклеточных организмов (рис. 1.1). Они относятся к растительному миру. 
По внешней форме бактерии делят на три основные группы: шаровидные (кокки), палочковидные или цилиндрические (бактерии 
и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы и спирохеты).
 Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цитоплазмы, ядерного аппарата и цитоплазматических включений.
Оболочка клетки тонкая, отчетливо очерченная, относительно 
плотной структуры, толщиной от 100 до 600 Å, составляет около 20% 
веса ее сухой массы.
Клеточную оболочку можно выявить с помощью специальной 
окраски. В неокрашенном виде она заметна только у крупных бактериальных форм, например у железобактерий и серобактерий.
Оболочка придает клетке определенную форму, регулирует прохождение (внутрь) питательных элементов, выделение (наружу) продуктов обмена, ферментов и других веществ.

2

3

4

5

6

13

20

12

19

11

18

10

17

9

16

8
15

7

14

1

Рис. 1.1. Схема строения бактериальной клетки:

1 — гранула поли-β-оксимасляной кислоты; 2 — жировые капельки; 3 — включения серы; 4 — трубчатые тилакоиды; 5 — пластинчатые тилакоиды; 6 — пузырьки; 
7 — хроматофоры; 8 — ядерное вещество (нуклеоид); 9 — рибосомы; 10 — цитоплазма; 11 — базальное тельце; 12 — жгутики; 13 — капсула; 14 — клеточная стенка; 
15 — цитоплазматическая мембрана; 16 — мезосома; 17 — газовые вакуоли; 18 — ламеллярные структуры; 19 — гранулы полисахарида; 20 — гранулы полифосфата

Оболочка защищает клетку от воздействия внешней среды и выдерживает значительное внутриклеточное осмотическое давление 
(3–6 атм). В зависимости от особенностей химического состава оболочки все виды бактерий неодинаково относятся к одному из дифференциальных способов окраски, разработанных датским ученым 
Грамом. По этому способу окраски бактерии могут быть разделены 
на грамположительные – окрашивающиеся в фиолетовый цвет 
(меньшинство видов) и грамотрицательные – окрашивающиеся 
в розовый цвет (большинство видов). 
Капсула имеется на поверхности оболочки некоторых видов микроорганизмов. У одних видов она представляет собой утолщенную 
оболочку, у других– слизистый слой. Чаще всего капсула и клеточная 
оболочка – отдельные структурные элементы. Капсульное вещество 

состоит из полисахаридов, глюкопротеидов или полипептидов, а у 
некоторых видов – из протеинов. Капсула защищает клетку от неблагоприятного действия внешней среды (высушивание, фагоцитоз 
и др.). У многих видов бактерий капсула образуется при высоком 
содержании в питательной среде углеводов и низком – белков.
Цитоплазматическая мембрана (перипласт) – внешний слой цитоплазмы, тесно прилегающий к клеточной стенке. Цитоплазматическая мембрана обладает физическими и химическими свойствами, 
отличающими ее от остальной цитоплазмы. Толщина мембраны 
не превышает 50–100 Å. Она служит местом интенсивной физиологической активности, так как является носителем многих ферментов.
Мембрана защищает цитоплазму. Кроме того, она поддерживает 
постоянное внутриклеточное осмотическое давление, задерживает 
в цитоплазме питательные вещества и соли и одновременно способствует выделению продуктов обмена. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью, от которой зависит 
жизнь клетки. Она составляет свыше 10% веса сухой клетки и состоит из липидов, протеинов и углеводов.
Цитоплазма у бактерий представляет прозрачную водянистую 
или слегка вязкую однородную смесь коллоидов. В ней могут быть 
суспендированы также пигменты, запасные питательные вещества 
и жиры. Химический состав цитоплазмы представляет сложную 
смесь белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, воды 
и других органических соединений. Она содержит те же аминокислоты, что и белки высших растений. В цитоплазме бактерий 
совершаются сложные процессы обмена веществ, в результате внутренняя структура клетки беспрерывно обновляется. Цитоплазма 
обладает мелкогранулярной структурой.
В цитоплазме бактериальной клетки находятся различные включения.
Митохондрии – образования в виде мелких зерен, богатые рибонуклеиновой кислотой (РНК), содержащие окислительно-восстановительные ферменты.
Рибосомы – множество мелких гранул, богатых белком и рибонуклеиновой кислотой. Они являются основным местом, где происходит биосинтез белков.
Волютин – комплекс неорганических метафосфатов с рибонуклеиновой кислотой. Его считают запасным питательным веществом 
микробов при голодании.
Наряду с этим встречаются гранулы, содержащие гликоген, жир, 
серу, железо, из которых одна часть служит запасным питательным 
материалом, а другая – продуктами обмена.
Ядерный аппарат бактериальной клетки истинных бактерий рассматривается как своеобразный пузырек, расположенный в цент

ральной части цитоплазмы. Ядерное вещество представляет собой 
нуклеоид. В отличие от эукариотической клетки ДНК бактериальной клетки не связана с гистонами и не отделена от цитоплазмы 
ядерной мембраной. Фибриллы бактериальной ДНК достаточно 
правильно ориентированы, поэтому ядерное вещество можно представить как образование, расположенное вдоль большего габарита 
клетки и имеющее толщину около 3–4 нм, но конфигурация нук-
леоида очень изменчива. ДНК – обособленный элемент, никогда 
не смешивающийся с цитоплазмой, в старых клетках ДНК упакована более компактно. Предполагают, что весь геном бактериальной 
клетки представлен одной гигантской замкнутой молекулой ДНК 
с молекулярной массой 7 · 109. Ее вполне можно расценивать как 
бактериальную хромосому. Но все же следует помнить, что ДНК бактерий упакована менее плотно, чем в ядре эукариотической клетки, 
в ядерном веществе отсутствует мембрана, не найдены ядрышко 
и набор хромосом, ДНК не связана с основными белками – гистонами. Все это свидетельствует об эволюционно более примитивной 
форме организации ядерного вещества у прокариот. Многие бактерии имеют капсулу или дополнительные внешние структуры: жгутики, фимбрии, структурные тяжи.
Споры и спорообразование у бактерий. Спорообразование – это 
одно из свойств определенных микроорганизмов, которое приобретается в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение 
вида. Вегетативные клетки всех образующих споры бактерий имеют 
цилиндрическую (палочковидную) форму. В группе кокков спорообразование отмечается редко. У извитых форм его не наблюдается.
При спорообразовании клетка теряет до 60% воды. Цитоплазма 
постепенно сгущается, собирается в определенном участке клетки 
и покрывается плотной оболочкой, пропитанной смолистыми и липоидными веществами.
Плотная оболочка, минимальное содержание воды, высокая 
концентрация магния и кальция в споре обеспечивают ее высокую 
устойчивость к вредным воздействиям внешней среды. Она легко 
переносит высокие температуры, большие концентрации химических веществ, высушивание. Споры некоторых бацилл сохраняют 
жизнеспособность при кипячении в течение 1–3 ч и более. Они погибают в автоклаве только при 115–125 °С, а также под влиянием 
сухого жара в печи Пастера (150–170 °С). В высушенном состоянии 
они могут сохранять жизнеспособность десятки лет.
Спорообразование у бацилл наступает обычно при неблагоприятных условиях существования. Это не способ размножения, так 
как каждая клетка образует одну спору и число особей при этом 
не возрастает.