Изучение процессов ферментации в лабораторных условиях происходит сначала в колбах, затем в ферментерах лабораторного масштаба объемом 1 – 10 л, далее происходит испытание в опытных установках объемом 50, 100, 1000 л и более. Объемы промышленных установок зависят от вида продукта и от потребности в нем. Обычно речь идет уже о десятках кубометров – 10, 20, 50, 60, 100, отдельные аппараты имеют объемы свыше 1000 м³ (для получения кормовых дрожжей).

Обычно в аппаратах разного масштаба используют одинаковые микроорганизмы и одинаковый состав питательных сред. Можно было бы ожидать, что в пересчете на единицу объема – литр, кубометр, миллилитр – количество получаемого продукта (биомассы или продуктов метаболизма) будет одинаковым или почти одинаковым в аппаратах разного масштаба.

Действительность, однако, не оправдывает таких прогнозов. Наоборот, очень часто в аппаратах разного масштаба и конструкции результаты процесса различаются, иногда в несколько раз.

В связи с этим в производственной практике возникает проблема масштабирования.

Масштабирование – это воспроизведение результатов, полученных на оборудовании одного размера (или одной конструкции), при проведении того же процесса в аппаратах другого (обычно большего) размера или другой конструкции.

Обиходный пример масштабирования дан в книге Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера». Гулливер оказался пленником лилипутов, и у них возникла проблема кормления Гулливера. Их специалистами по масштабированию был разработан критерий масштабного перехода: Гулливеру давали 1728 лилипутских порций. Происхождение этой цифры таково. Гулливер был в 12 раз крупнее (т. е. выше ростом), чем лилипут. Очевидно, что масса и объем Гулливера и лилипута соотносились как 123: 1 = 1728.

Масштабирование оказалось удачным: Гулливер совершал множество всяких подвигов и в конце концов освободился от плена.

Другой пример не столь удачен, хотя по существу использовался тот же принцип масштабирования – по массе. Биологическая лаборатория в США проводила испытание действия препарата ЛСД на различных животных. Как обычно принято при испытании лекарственных средств, сначала испытания проводят на мелких животных (мышах, крысах, кошках, кроликах), а затем переносят их на крупных животных и даже на человека; при подборе дозировки исходят из массы тела. Испытав препарат ЛСД на кошках, назначили дозировку для слона с учетом их разницы в весе в 30 000 раз. Результат оказался отличным от ожидаемого: слон зашатался и упал замертво, свидетельствуя тем самым, что проблема масштабирования не столь однозначна, как кажется.

Вернемся теперь к нашему процессу – процессу ферментации. Соотношение массы культуральной жидкости, например, в колбе (100 мл) и в производственном аппарате объемом 63 м³ (объем жидкости 45 м³) равно 450 000 : 1 – даже больше соотношения кошка: слон. Между тем именно с таким соотношением реально приходится работать, если не хочется осложнять себе жизнь и тратить время и деньги на испытания в большом ряду аппаратов промежуточных емкостей.