Виды сырья (субстраты), используемые в биотехнологии, весьма разнообразны. Это обусловлено разнообразием типов питания микроорганизмов-продуцентов, что позволяет выбирать наиболее подходящее сырье для биосинтеза тех или иных продуктов (рисунок 29).

В связи с исчерпанием традиционных источников сырья возникает необходимость расширения сырьевой базы для существующих и проектируемых технологических процессов за счет новых источников. Все большее значение приобретают воспроизводимые ресурсы непищевых растительных материалов: различные плоды и соки, крахмалсодержащие клубни, травянистая, кустарниковая, древесная растительность, а также многочисленные и разнообразнейшие отходы их промышленной переработки и сельскохозяйственного производства. Наряду с этими видами сырья большое значение имеют природный газ и продукты химического синтеза.

Необходимо подчеркнуть, что некоторые виды сырья, встречающиеся в природе в особенно больших количествах (нефть, природный газ, целлюлоза, каменный уголь и др.), могут достаточно эффективно использоваться только микроорганизмами. Все наиболее перспективные в ближайшем будущем виды сырья имеют непостоянный состав. Поэтому при его выборе важно знать, что подвергать очистке – сырье или продукт.

Считают, что для больших заводов желательно использовать «чистые» виды сырья постоянного состава, например, индивидуальные органические вещества. Это позволит организовать стабильно работающие крупные предприятия и получать продукты строго постоянного качества. Выбор конкретного вида сырья обязательно подразумевает наличие резервных источников, позволяющих в ходе работы заменять одни виды сырья другими не только без изменения конечных характеристик получаемых биопрепаратов, но и без существенных изменений условий на всех стадиях технологического процесса.

Принцип доступности выбранного сырья, то есть его недефицитность, возможность усреднения состава с целью получения стандартных питательных сред во многом определяет перспективу производства того или иного биопрепарата.

Для промышленного культивирования микроорганизмов применяют питательные среды различного состава. Типичными являются среды на основе природных субстратов: мелассы, гидрола, пшеничных отрубей, барды, гидролизатов древесины. Эти виды углеродсодержащего сырья имеют сложный и непостоянный состав, а во многих случаях содержат ингибирующие рост вещества. Так, гидролизаты содержат вредные для микроорганизмов соединения: фурфурол, уроновые кислоты, оксиметилфурфурол, продукты разложения сахаров, смолистые вещества, коллоиды гуминового или лигнинового происхождения, а также соли меди и хлорида натрия в повышенных концентрациях.

Нередко в качестве питательных веществ используют сравнительно чистые источники углерода: глюкозу, сахар-сырец, крахмал,
н-парафины нефти, этанол, метанол, техническую уксусную кислоту и другие.

Сложная взаимосвязь микроорганизмов, среды и условий культивирования определяет требования микроорганизмов-продуцентов к источникам углерода. Существенное значение в процессе ассимиляции углеродсодержащих соединений имеет их концентрация в питательной среде.

С развитием различных отраслей народного хозяйства происходит дальнейшее накопление отходов и промышленных стоков, которые должны быть конвертированы методами биотехнологии в полезные продукты и тем самым обезврежены. Отходы сельскохозяйственного производства, пищевой и других отраслей промышленности должны служить дополнительным источником для биосинтеза кормового белка, легкоусвояемых углеводов, других кормовых средств, а также для получения вторичного тепла – биогаза, органических удобрений и прочих полезных продуктов непосредственно в хозяйствах.

Кроме источников углерода, к основным относят азотсодержащие виды сырья, а также макро- и микроэлементы. Азотсодержащих компонентов питательных сред не так много, как углеродсодержащих. Это либо органические аминосоединения, либо неорганические, содержащие ион аммония или нитрат ион. Выбор источника азота определяется в первую очередь физиологическими особенностями продуцента.
Довольно часто наибольший эффект достигается при совместном внесении в питательные среды органических и неорганических источников азота. В последнее время дрожжевой и кукурузный экстракты, казеин и соевая мука в качестве источников органического азота применяются редко. Перспективным азотсодержащим субстратом является кислотный или ферментативный гидролизат кормовых дрожжей, он характеризуется высоким содержанием белка и витаминов группы В. Кроме дрожжей для этой цели может быть использована биомасса других микроорганизмов, которая является отходом или побочным продуктом микробиологического производства. В промышленной биотехнологии в большинство питательных сред включают источник неорганического азота. При биосинтезе продуцентом азотсодержащих метаболитов в процессе ассимиляции азота концентрация аниона в среде постепенно достигает ингибирующего уровня. Для преодоления этого широко применяют полностью ассимилируемые источники азота – аммиак в виде водного раствора или газа, а также
мочевину.

Полноценные питательные среды должны содержать различные минеральные элементы. Их концентрация зависит от цели культивирования продуцента – либо это достижение максимального роста биомассы, либо достижение наивысшей биохимической активности. Концентрация макроэлементов в средах обычно составляет 10^-3…10^{-4 М}. Потребность микроорганизмов в микроэлементах составляет около
10^-6…10^-8 М и обычно обеспечивается примесями микроэлементов в водопроводной воде и основных компонентах среды, поэтому необходимо изучать потребность каждого продуцента в элементах минерального питания в зависимости от его особенностей, вида основного сырья и цели культивирования. Для наиболее часто применяемых питательных веществ установлены следующие предельные концентрации в питательной среде (г/л): ион аммония – 5, фосфорсодержащие соли – 10, нитраты – 5, этанол – 100, глюкоза – 100.

Особое место среди питательных веществ занимает кислород. Он слабо растворим в воде и в водных растворах, поэтому подача кислорода в ферментационную среду представляет собой сложную проблему массопереноса. Потребность микроорганизмов-продуцентов в кислороде зависит от их особенностей, а также от характера используемого источника углерода и эффективности его утилизации.

Немаловажную роль в эффективном проведении процесса микробиологического синтеза и выделения целевого продукта играют так называемые вспомогательные материалы. Например, соблюдение оптимального режима культивирования микроорганизмов в глубинной культуре невозможно без применения титрующих агентов – растворов кислоты или щелочи и химических пеногасителей. На стадиях выделения целевых продуктов для лучшего разделения фаз культуральной жидкости, извлечения целевого продукта, для его очистки, обезвоживания, стандартизации и упаковки используют разнообразные вещества и материалы. Вспомогательные вещества и материалы также должны иметь постоянный качественный и количественный составы, т. е. соответствовать стандартам, указанным в технологическом регламенте. Только применение стандартного сырья или его стандартизация на стадиях подготовки перед использованием в производстве может обеспечить эффективную переработку сырья. Иначе режимы технологических процессов, определенные регламентом, становятся неоптимальными. Комплексная стандартизация на всех этапах производства – от сырья и до готовой продукции – позволяет повышать качество продукции за счет совершенствования технологии производства.