До тех пор, пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий использовали такие на­звания, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология. Если не принимать в расчет производст­ва мыла, то первая же из числа возникших «технологий» тако­го рода стала предшественницей прикладной микробиологии. Наши предки не имели представления о процессах, лежащих в основе таких технологий. Они действовали скорее интуитивно, но в течение тысячелетий успешно использовали метод мик­робиологической ферментации для сохранения пищи (например, при получении сыра или уксуса), улучшения вкуса (например, хлеба и соевого соуса) и производства спиртных напитков. Пи­воварение до сих пор остается наиболее важной (в денежном исчислении) отраслью биотехнологии. Во всем мире ежегодно производится около IO¹¹ литров пива стоимостью порядка 100 млн. фунтов стерлингов. В основе всех этих производств ле­жат реакции обмена веществ, происходящие при росте и раз­множении некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях. В конце XIX в. благодаря трудам Пастера были созданы реаль­ные предпосылки для дальнейшего развития прикладной (тех­нической) микробиологии, а также в значительной мере и био­технологии. Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании от­дельных продуктов участвуют разные их виды. Его исследо­вания послужили основой развития в конце XIX и начале XX вв. бродильного производства органических растворителей (ацето­на, этанола, бутанола и изопропанола) и других химических ве­ществ, где использовались разнообразные виды микроорганиз­мов. Во всех этих процессах микробы в бескислородной среде осуществляют превращение углеводов растений в ценные про­дукты. В качестве источника энергии для роста микробы в этих условиях используют изменения энтропии при превращениях веществ. Совсем иначе обстоит дело в аэробных процессах при контролируемом окислении химических веществ до углекислого
газа и воды. При этом организмы извлекают гораздо больше энергии.

Процессы такого рода, в которых биомасса, т. е. возобно­вляемый источник сырья, используется для получения химиче­ских веществ, играли ведущую роль на первом этапе развития современной биотехнологии. По мере становления нефтехимии на смену многим из них пришли химические процессы. В тех случаях, когда некоторые химические соединения, например цитрат, ацетат и итаконат, широко использовались при произ­водстве пищевых продуктов, их продолжали получать путем брожения, самым выгодным с экономической точки зрения пу­тем. В некоторых странах (например, в Италии) таким спосо­бом вырабатывали даже технический этиловый спирт. Сегодня под влиянием энергетического кризиса производство спирта из растительного сырья получает все более широкое распростране­ние в США и Бразилии и, видимо, вскоре выйдет на первый план в странах Дальнего Востока.

Рис. 1.2. Переключение спиртового брожения у дрожжей на образование гли­церола.

Возвращение к производству органических соединений путем брожения вполне возможно, но в Европе это будут скорее все­го лишь наиболее дорогостоящие вещества. Очевидным исклю­чением здесь может быть превращение в технический спирт винных рек ЕЭС. Это, конечно, странная политика, странная биотехнология и по меньшей мере необычная экономика, пред­лагающая химической промышленности нечестные условия со­ревнования.

На рис. 1.2 показано, какие биохимические реакции лежат в основе одного из первых процессов «современной» биотехнологии. Этот рисунок представляет определенный интерес в свя­зи с тем, что он иллюстрирует «инженерный» принцип модифи­кации нормального метаболизма дрожжей при образовании ими спирта. При добавлении бисульфита к сбраживаемой среде аце­тальдегид не может выступать в роли акцептора восстанови­тельных эквивалентов, образующихся в реакциях пути Эмбде­на— Мейергофа. В результате таким акцептором служит фос­фодиоксиацетон, а вместо этилового спирта образуется глице­рол. Этот процесс оказался особенно ценным, когда в ходе пер­вой мировой войны возросли потребности в глицероле (его ис­пользовали для производства взрывчатых веществ).

Следующим важным этапом в развитии биотехнологии хо­зяйственно ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков. Отправной точкой здесь послужи­ло открытие Флеммингом, Флори и Чейном химиотерапевтиче­ской активности пенициллина (1940 г.). Сегодня годовой обо­рот этой отрасли составляет около 2 млрд, фунтов стерлингов.

Как получение химических соединений и пищевых добавок путем брожения, так и синтез антибиотиков всегда велись в асептических условиях, но некоторые современные процессы (например, образование белка одноклеточными организмами) осуществляют в еще более жестком режиме. Обеспечение таких особых условий —многоплановая задача. Она решается инже­нерами-химиками и микробиологами (подробнее об этом будет рассказано в гл. 10). C другой стороны, использование микро­организмов при переработке отходов (гл. 6) не требует созда­ния стерильных условий; напротив, вообще говоря, чем больше разных микроорганизмов принимает в этом участие, тем лучше. Впрочем, при планировании и создании заводов по переработке отходов инженеры-химики и микробиологи столкнулись с про­блемами иного круга. Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила, был разработан в 1914 г. C тех пор он был существенно модернизи­рован, стал более сложным и производительным и используется сегодня во всем мире для переработки стоков.

В наше время переработка стоков в анаэробных условиях смешанной микрофлорой, в результате чего попутно образуется биогаз (который состоит в основном из метана и СОг), приме­няется все более широко. Такая переработка энергетически вы­сокоэффективна, так как позволяет сохранять и концентриро­вать энергию, содержащуюся в различных компонентах стоков (с газом регенерируется более 80% свободной энергии). В не­которых случаях, в частности в сельскохозяйственных общи­нах, с помощью этого процесса можно получать значительную часть необходимой энергии. Так, в Китае построено более 18 млн. генераторов биогаза. В развитых странах с высоким потреблением энергии превращение отходов в биогаз может покрыть лишь несколько процентов их энергетических потребно­стей. Тем не менее на крупных заводах по переработке отходов биогаз часто сжигают в тепловых машинах, которые приводят в действие электрогенераторы. В последние годы разработаны также небольшие установки, предназначенные для переработки отходов сельского хозяйства.