В биотехнологическом производстве существует три основных метода использования микроорганизмов.

• Первый метод относится к массовому культивированию микроорганизмов в биореакторе, где тщательно контролируются все основные параметры процесса. В таблице 1.1 перечислены основные микроорганизмы, используемые сегодня для крупнотоннажного производства биотехнологических продуктов с помощью глубинного культивирования.

Таблица 1.1 Основные микроорганизмы для крупнотоннажного производства.

Организм	Масштаб производства (м3)
Бактерии: множество штаммов, продуцирующих широкий спектр высокомолекулярных и низкомолекулярных продуктов. Хотя Escherichia coli является предпочтительным продуцентом терапевтических белков, многие другие коммерческие экспрессионные системы доступны для производства малых молекул. Виды рода Streptomyces являются предпочтительными продуцентами вторичных метаболитов.	∼ 250
Дрожжи: крупные и мелкие молекулы. Часто продуцентами являются метилотрофные Pichia pastoris и Saccharomyces cerevisiae. Имеются и другие продуценты, такие как Hansenula polymorpha и Yarrowia lipolytica.	30–80
Грибы: многие нитчатые грибы используются для производства вторичных метаболитов, ферментов и органических кислот в промышленных масштабах.	≤ 600
Цианобактерии: Древняя форма жизни, наиболее известная своим съедобным родом Spirulina, выращиваемым в открытых прудах и продаваемым в форме таблеток в качестве пищевой добавки. Рекомбинантный штамм используется для фототрофного производства биотоплива. Потенциальный продуцент цитотоксических препаратов.	∼ 5000 (открытые пруды)
Водоросли: промышленно используются для производства следующих продуктов: удобрений, подкормок, средств для биочистки сточных вод из одноклеточных водорослей (Chlorella) бета-каротина (Dunaliella), полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Chlorella – самая популярная микроводоросль.	∼ 250
Культуры клеток растений: производство противоракового препарата паклитаксел (вторичного метаболита, полученного из растительных клеток в биореакторах объёмом 75 м3). Другие продукты – терапевтические ферменты Elelyso™ – производятся в рекомбинантных клетках моркови, а также сапонины женьшеня. Как и с цианобактериями и водорослями, клетки растений можно культивировать гетеро-, фото- или миксотрофно.	≤ 75
Мхи (Bryophyta): кассеты для Physcomitrella patens были разработаны для фототрофного культивирования.	< 2
Ряска: существует фототрофная технология выращивания рекомбинантных растений Lemna minor (ряска) в суспензионной культуре. Как и мхи, ряска готова к коммерческому применению, но ещё не использовалась промышленно.	< 2
Простейшие: в суспензионной культуре в основном используются два типа (Tetrahymena и Leishmania). Они также подходят для крупномасштабного производства белков, но пока не используются в коммерческих целях.	< 2
Культуры клеток насекомых: налаженная производственная система, используемая в основном для вакцин. Системы экспрессии включают клетки Spodoptera frugiperda (моль), Trichoplusia ni (моль), Bombyx mori (шелкопряд) и Drosophila sp. (плодовая муха).	< 2
Культуры клеток птиц: в основном используются для производства вирусных вакцин. Системы экспрессии представляют собой эмбрион утки, сетчатку утки, эмбрион перепела и эмбрион курицы. Культуры клеток заменяют традиционное производство вакцин на куриных яйцах.	> 10
Культуры клеток млекопитающих: промышленные «рабочие лошадки» для производства больших белков для парентерального введения, от фактора VIII до моноклональных антител. Клетки яичников китайского хомячка (CHO) являются наиболее популярными экспрессионными системами.	∼ 25
Стволовые клетки: дермальные фибробласты человека, мезенхимальные стволовые клетки и плюрипотентные стволовые клетки производятся путём культивирования на микроносителях в биореакторах с мешалкой. То количество стволовых клеток, которое необходимо для клинического аллогенного использования, требует адаптации существующих методов массового культивирования клеток для эффективной наработки стволовых клеток.	< 1

• Второй вариант – использование генетически модифицированных высших растений (сосудистые растения), которые продуцируют рекомбинантные продукты в своих листьях, плодах, корнях или других частях. Трансгенные растения серьёзно рассматриваются как «молекулярное сельское хозяйство» для производства таких продуктов, как инсулин, лактоферрин, трипсин, вторичные метаболиты и нефармацевтические продукты, такие как биопластики.
• Генетически модифицированные млекопитающие могут быть использованы для производства терапевтических белков в молоке, моче, крови или других жидкостях организма. В отличие от рекомбинантных растений, существует очень мало примеров трансгенных продуктивных животных, одним из которых является одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в 2014 году рекомбинантный белок Ruconest, изолированный из трансгенного кроличьего молока, применяющийся для лечения наследственного ангионевротического отека.

В этой статье основное внимание уделяется первому методу, а именно производству в стерильном биореакторе или ферментере, поскольку в них производится более 99% биотехнологических продуктов, полученных на клетках животных, растений, грибов, дрожжей и бактерий.

В настоящее время, как показано в таблице 1.1, не только бактерии, дрожжи и грибы культивируются в «крупномасштабной» суспензионной культуре. Под «крупномасштабным» могут подразумеваться разные объёмы в зависимости от продуцента.

Хотя клетки и организмы, перечисленные в таблице 1.1, сильно различаются по таксономии, форме, размеру и метаболизму, есть четыре общих элемента, которые могут повлиять на успех крупномасштабного суспензионного культивирования.

• Генотип клетки, который контролируется и управляется физико-химической средой в биореакторе, для чего доступен целый арсенал погружных стерилизуемых сенсоров.
• Состав питательной среды, который в идеале должен быть химически определён и прост. Кроме того, при составлении рецептуры питательной среды необходимо учитывать заранее характеристики коалесценции, которые влияют на k_La или пенообразование.
• Условия культивирования (температура, pH, pO₂, pCO₂, время перемешивания и усилие сдвига), которые поддерживаются с помощью системы термостатирования, системы подпиток, системы подачи газов. В большинстве случаев подстройка оборудования под специфический процесс ограничена только заменой импеллера.
• Режим культивирования, например, периодический, с подпиткой, непрерывный или перфузионный.