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
2016

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., д-р биол. наук, профессор кафедры биотехнологии Рос-
сийского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева;
Ксенофонтов Б.С., д-р техн. наук, профессор, руководитель отдела 
НИИ энергетического машиностроения Московского государствен-
ного технического университета им. Н.Э. Баумана

ISBN 978-5-16-011479-8 (print)
ISBN 978-5-16-103738-6 (online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Подписано в печать 14.03.2016. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 19,0.
Тираж 500 экз. (I — 50). Заказ № 00000
ТК 456900-527386-140316

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

© Луканин А.В., 2016

Луканин А.В.
Инженерная биотехнология: основы технологии микробиологиче-
ских производств : учеб. пособие / А.В. Луканин. — М. : ИНФРА-М, 
2016. — 304 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.
org/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, меди-
цинской, 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 пита-
тельных сред, аэрации, перемешивания, пено образования, пеногашения. 
Дана классификация и описание применяемых аппаратов, приборов, ма-
териалов с практическими рекомендациями их эффективного использова-
ния, а также методы оценки работы и расчета аппаратов. 
Учебное пособие соответствует требованиям Федерального государ-
ственного образовательного стандарта высшего образования последнего 
поколения.
Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работни-
ков, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и рабо-
тающих в области промышленной биотехнологии.

УДК 663.1(075.8) 
ББК 30.16я73

Л84

Введение

С древних времен известны отдельные биотехнологические про-
цессы, 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 ми-
кробиологическим производством ацетона и бутанола, антибио-
тиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
В СССР в 1930-е гг. были построены первые заводы по полу-
чению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельско-
хозяйственных отходах и сульфитных щелоках, успешно внедрена 
технология микробиологического производства ацетона и бутанола. 
В последующие годы биотехнологические разработки широко ис-
пользовались в нашей стране для освоения производств антибио-
тиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ро-
стовых веществ, пестицидов. Разработаны технологии по получению 
новых источников энергии биотехнологическим путем – технологи-
ческая биоэнергетика.
Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области био-
химии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали 
предпосылки для управления элементарными механизмами жизне-
деятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития 
биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче на-
следственной информации, расшифровка генетического кода, рас-
крытие 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. Генети-
ческая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально 
новое направление биологической науки, которое сегодня ставят 
в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притя-
жения и созданием средств электроники. 
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение ме-
ханизмов функционирования и регуляции активности ферментов 
открыли путь к направленной модификации белков и привели к ро-
ждению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, 
обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инстру-
ментом 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 – междисципли-
нарная 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 обуслов-
ливает необходимость привлечения к его осуществлению самых 
различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, би-
охимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных 
физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологи-
ческого оборудования и др.
В качестве основных задач биотехнологии определены создание:
 
•  новых биологически активных веществ и лекарственных препа-
ратов для медицины, позволяющих осуществить в здравоохра-
нении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний – 
сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфек-
ционных, в том числе вирусных; 
 
•  микробиологических средств защиты растений от болезней 
и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста 
растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблаго-
приятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельско-
хозяйственных растений, полученных методами генетической 
и клеточной инженерии;
 
•  кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового 
белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных пре-
паратов 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 удо-
брений.

Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ

Биотехнологические процессы основываются на функциони-
ровании 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, ис-
пользуя активные, специально селекционированные культуры ми-
кроорганизмов. Культуры микроорганизмов применяют также при 
тонком биосинтезе антибиотиков, витаминов, гормонов. Даже если 
процесс ферментации осуществляют биологические агенты, по-
лученные методами генной и клеточной инженерии, важно знать 
общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять 
их ростом и метаболизмом и получать целевой продукт с макси-
мальным выходом и при высокой интенсивности процесса фермен-
тации. Именно поэтому мы считаем, что биотехнология начинается 
с познания живой клетки и законов управления процессами жизне-
деятельности.

1.1. ЖИВАЯ КЛЕТКА – ОСНОВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению 
чрезвычайно большого разнообразия живых существ. По химиче-
скому составу они очень сходны: основные компоненты всякой 
клетки – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая 
кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и др. Од-
нако имеются заметные различия между клетками бактерий и циано-
бактерий, 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 вну-
триклеточных органелл, называют прокариотами. Клетки животных, 
растений, водорослей, грибов и простейших имеют истинное ядро, 
в котором находится ДНК в виде хромосом, и другие органеллы, на-
пример митохондрии и хлоропласты (у растений). Такие организмы, 
в том числе и одноклеточные с подобной организацией клеток, на-
зывают 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 сол-
нечной 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 про-
цессе 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 исполь-
зовать водород воды и поэтому не выделяют О2. Донорами водо-
рода для этих клеток служат H2S, H2 или органические вещества. 
У данных бактерий фотосинтез осуществляется через бактериохло-
рофиллы, а их красная и оранжевая окраска обусловливается каро-
тиноидами.
В природе встречаются также микроорганизмы, которые спо-
собны синтезировать органические соединения из СО2 без помощи 
хлорофилла и без прямого использования солнечной энергии. 
Источником энергии здесь служит энергия окисления неоргани-
ческих 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 водо-
рода. 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 по-
лучить электролизом воды, пригодную для целей питания и живот-
новодства органическую массу можно добывать из минеральных 
веществ, воды, воздуха и электроэнергии.
Как известно, микроорганизмы, которые способны сами син-
тезировать органические вещества из СО2 в процессе хемо- или 
фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для су-
ществования которых необходимы уже готовые органические ве-
щества, – гетеротрофными. В круговороте углерода в природе при-
нимают 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 исполь-
зуемым 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 бак-
терий. 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 «про-
стейшие». Микроорганизмы, принадлежащие к растительному миру, 
именуются протофитами (простейшие растения), а к животному 
миру – протозоями (простейшие животные).
Большинство микроорганизмов – одноклеточные существа, ви-
димые только под микроскопом. К ним относятся бактерии, акти-
номицеты, дрожжи, риккетсии и некоторые водоросли.
К многоклеточным принадлежат нитчатые бактерии и боль-
шинство плесневых грибов, которые иногда достигают таких раз-
меров, 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 однокле-
точных организмов (рис. 1.1). Они относятся к растительному миру. 
По внешней форме бактерии делят на три основные группы: ша-
ровидные (кокки), палочковидные или цилиндрические (бактерии 
и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы и спирохеты).
 Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цито-
плазмы, 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 бакте-
риальных форм, например у железобактерий и серобактерий.
Оболочка придает клетке определенную форму, регулирует про-
хождение (внутрь) питательных элементов, выделение (наружу) про-
дуктов 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 — вклю-
чения серы; 4 — трубчатые тилакоиды; 5 — пластинчатые тилакоиды; 6 — пузырьки; 
7 — хроматофоры; 8 — ядерное вещество (нуклеоид); 9 — рибосомы; 10 — цито-
плазма; 11 — базальное тельце; 12 — жгутики; 13 — капсула; 14 — клеточная стенка; 
15 — цитоплазматическая мембрана; 16 — мезосома; 17 — газовые вакуоли; 18 — ла-
меллярные структуры; 19 — гранулы полисахарида; 20 — гранулы полифосфата

Оболочка защищает клетку от воздействия внешней среды и вы-
держивает значительное внутриклеточное осмотическое давление 
(3–6 атм). В зависимости от особенностей химического состава обо-
лочки все виды бактерий неодинаково относятся к одному из диф-
ференциальных 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 ми-
кроорганизмов. 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 не-
благоприятного 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 ци-
топлазмы, тесно прилегающий к клеточной стенке. Цитоплазмати-
ческая мембрана обладает физическими и химическими свойствами, 
отличающими ее от остальной цитоплазмы. Толщина мембраны 
не превышает 50–100 Å. Она служит местом интенсивной физиоло-
гической 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 спо-
собствует выделению продуктов обмена. Цитоплазматическая мем-
брана обладает избирательной проницаемостью, от которой зависит 
жизнь клетки. Она составляет свыше 10% веса сухой клетки и со-
стоит 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 амино-
кислоты, что и белки высших растений. В цитоплазме бактерий 
совершаются сложные процессы обмена веществ, в результате вну-
тренняя структура клетки беспрерывно обновляется. Цитоплазма 
обладает мелкогранулярной структурой.
В цитоплазме бактериальной клетки находятся различные вклю-
чения.
Митохондрии – образования в виде мелких зерен, богатые рибо-
нуклеиновой кислотой (РНК), содержащие окислительно-восста-
новительные ферменты.
Рибосомы – множество мелких гранул, богатых белком и рибону-
клеиновой кислотой. Они являются основным местом, где проис-
ходит биосинтез белков.
Волютин – комплекс неорганических метафосфатов с рибонукле-
иновой 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 рас-
сматривается как своеобразный пузырек, расположенный в цент-

ральной части цитоплазмы. Ядерное вещество представляет собой 
нуклеоид. В отличие от эукариотической клетки ДНК бактери-
альной клетки не связана с гистонами и не отделена от цитоплазмы 
ядерной мембраной. Фибриллы бактериальной ДНК достаточно 
правильно ориентированы, поэтому ядерное вещество можно пред-
ставить 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 упако-
вана 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 бак-
терий 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 – гисто-
нами. Все это свидетельствует об эволюционно более примитивной 
форме организации ядерного вещества у прокариот. Многие бак-
терии имеют капсулу или дополнительные внешние структуры: жгу-
тики, фимбрии, структурные тяжи.
Споры и спорообразование у бактерий. Спорообразование – это 
одно из свойств определенных микроорганизмов, которое приобре-
тается в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение 
вида. Вегетативные клетки всех образующих споры бактерий имеют 
цилиндрическую (палочковидную) форму. В группе кокков споро-
образование отмечается редко. У извитых форм его не наблюда-
ется.
При спорообразовании клетка теряет до 60% воды. Цитоплазма 
постепенно сгущается, собирается в определенном участке клетки 
и покрывается плотной оболочкой, пропитанной смолистыми и ли-
поидными 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 хими-
ческих веществ, высушивание. Споры некоторых бацилл сохраняют 
жизнеспособность при кипячении в течение 1–3 ч и более. Они по-
гибают 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 неблагопри-
ятных условиях существования. Это не способ размножения, так 
как каждая клетка образует одну спору и число особей при этом 
не возрастает.