Студопедия — ПРОИЗВОДСТВ
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ПРОИЗВОДСТВ






Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является

разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры

для него. При организации биотехнологических производств частично

был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии.

Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от

химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную

организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект

(клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система.

Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена оконча-

тельно. Для микробных популяций, например, характерна существенная

гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность,

устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также

подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10-4 до

10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхно-

стей раздела фаз и неоднородностью условий среды.

В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основ-

ные стадии: предферментационную, ферментационную и постфермента-

ционную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процес-

сов в общем виде может быть представлена блок-схемой, в которой сделана

попытка охватить все варианты ферментационных процессов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов

(по У. Э. Виестур и др., 1987):

1 – реактор для приготовления сред, 2 – вихревой насос, 3 – аппарат для приготовления твердых сред,

4 – паровая колонка для подогрева сред до температуры стерилизации, 5 – выдерживатель сред при тем-

пературе стерилизации, 6 – теплообменник для охлаждения сред, 7 – мерник – сборник питательной

среды,

8 – дозатор, 9 – анаэробный ферментер, 10 – глубинный аэробный ферментер, 11 – биокаталитический

реактор, 12 – ферментер для поверхностной твердофазной ферментации, 13 – то же для поверхностной

жидкостной ферментации, 14 – экстрактор, 15 – сепаратор для отделения биомассы, 16 – система локаль-

ной автоматики, 17 – плазмолизатор биомассы, 18 – дезинтегратор биомассы, 19 – выпарная установка,

20 – фракционирование дезинтегратов, 21 – сушилка и другие аппараты для обезвоживания, 22 – аппара-

тура для расфасовки продукта, 23 – ионообменные колонны, аппараты для химических и мембранных

методов выделения, центрифуги, фильтры, кристаллизаторы и др. устройства.

Условные обозначения: рН – раствор для коррекции рН, П – компоненты и среды для подпитки,

Пос – посевной материал, В – сжатый воздух, ПАВ – пеногаситель, Ср – стерильная питательная среда,

БА – биологический агент.

На предферментационной стадии осуществляют хранение и подго-

товку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку пита-

тельных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологиче-

ской и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чис-

той культуры является очень важным моментом предферментационной

стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики

и свойства определяют эффективность всего биотехнологического про-

цесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производст-

венных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята

в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посев-

ных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть прово-

дят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, буты-

лях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий

этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на

порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направля-

ется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия.

Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакто-

рах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и со-

вместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакто-

ры. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их

состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологиче-

ских процессах применяются различные по происхождению и количест-

вам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Поэтому

дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется

индивидуально на каждом производстве в соответствии с Технологиче-

ским регламентом конкретного процесса. В качестве дозирующего обору-

дования при этом применяются весовые и объемные устройства, исполь-

зуемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ

осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами.

Сыпучие компоненты подают в ферментеры с помощью вакуумных насо-

сов. Часто применяют принцип предварительных смесей, то есть соли

предварительно растворяют и затем транспортируют по трубопроводам,

дозируя их подачу по объему. В силу исключительного разнообразия био-

технологических процессов и применяемых для их реализации сред, ме-

тодов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет связано с

конкретными биотехнологическими производствами.

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологиче-

ском процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с

субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопро-

дуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (фермен-

тере) и может быть организована в зависимости от особенностей исполь-

зуемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта

различными способами. Ферментация может проходить в строго асепти-

ческих условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая

«незащищенная» ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэроб-

но и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать

поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды).

Культивирование биологических объектов может осуществляться в

периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой

субстратом. При периодическом способе культивирования ферментер

заполняется исходной питательной средой и инокулятом микроорганиз-

мов (Х 0 + S 0 на рис. 1.2). В течение определенного периода времени в ап-

парате происходит взаимодействие микроорганизмов и субстрат сопрово-

ждающееся образованием в культуре продукта (Х + SP).

Биохимические ______превращения в этом аппарате продолжаются от десят-

ков часов до нескольких суток. Регуляция условий внутри ферментера –

важнейшая задача периодического культивирования микроорганизмов. В

ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд

последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста,

стационарную и отмирания. При этом происходят существенные измене-

ния физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров

среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные

метаболиты – ферменты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вто-

ричные метаболиты – антибиотики) фазах, поэтому в зависимости от це-

лей биотехнологического процесса в современных промышленных про-

цессах применяют принцип дифференцированных режимов культивиро-

вания. В результате этого создаются условия для максимальной продук-

ции того или иного целевого продукта. Периодически ферментер опорож-

няют, производят выделение и очистку продукта, и начинается новый

цикл.

Непрерывный процесс культивирования микроорганизмов обладает

существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная

Х S 0 0 +

Рис. 1.2. Схема биореактора периодического действия.

ферментация осуществляется в условиях установившегося режима, когда

микробная популяция и ее продукты наиболее однородны. Применение

непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного

регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерыв-

ной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытес-

нения или полного смешения. Первый пример – так называемая тубуляр-

ная культура (рис. 1.3).

Процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с

одного конца непрерывно поступают питательные компоненты и иноку-

лят, а с другой с той же скоростью вытекает культуральная жидкость.

Данная система проточной ферментации является гетерогенной.

При непрерывной ферментации в ферментах полного смешения (гомо-

генно-проточный ______способ) во всей массе ферментационного аппарата созда-

ются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволя-

ет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехноло-

гическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом,

требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии. Управление по-

добными установками осуществляется двумя способами (рис. 1.4).

Х 0

Х S 0 0 + + P

S 0

Рис. 1.3. Схема тубулярного биореактора полного вытеснения.

1 2 1 2

5 6

A Б

Рис. 1.4. Схемы биореакторов для проточного культивирования микроорганизмов.

А – хемостат; Б – турбидостат с автоматической регуляцией оптической плотности.

1 – поступление среды, 2 – мешалка, 3 – сток культуры, 4 – насос, 5 – фотоэлемент, 6 – источник света.

Турбидостатный способ базируется на измерении мутности выходя-

щего потока. Измерение мутности микробной суспензии, вызванное рос-

том клеток, является мерой скорости роста, с которой микроорганизмы

выходят из биореактора. Это позволяет регулировать скорость поступле-

ния в ферментер свежей питательной среды. Второй метод контроля, –

хемостатный, проще. Управление процессом в хемостате осуществляется

измерением не выходящего, а входящего потока. При этом концентрацию

одного из компонентов питательной среды (углерод, кислород, азот), по-

ступающего в ферментер, устанавливают на таком уровне, при котором

другие питательные компоненты находятся в избытке, то есть лимити-

рующая концентрация задающегося биогенного элемента ограничивает

скорость размножения клеток в культуре.

Обеспечение процесса ферментации, с точки зрения инженерной реа-

лизации, сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков

(инокулята, воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пенога-

сителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной

жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров про-

цесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и об-

разования целевого продукта. В ходе ферментации образуются сложные

смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные кон-

центрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как прави-

ло, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них

легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на

методы выделения и сушки биологических препаратов.

Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой то-

варной продукции и также, что не менее важно, обезвреживание отходов и

побочных продуктов. В зависимости от локализации конечного продукта

(клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментаци-

онной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и

очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в

клетках. Первым этапом постферментационной стадии является фракцио-

нирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – био-

массы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация,

осуществляемая в специальных аппаратах – сепараторах, которые рабо-

тают по различным схемам в зависимости от свойств обрабатываемой

культуральной жидкости. Основные проблемы, возникают при необходи-

мости выделения мелковзвешенных частиц с размером 0.5–1.0 мкм и ме-

нее (бактериальные клетки) и необходимостью переработки больших объ-

емов жидкости (производство кормового белка, ряда аминокислот). Для

повышения эффективности процесса сепарации применяют предваритель-

ную специальную обработку культуры – изменение рН, нагревание, до-

бавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехно-

логических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В

зависимости от свойств продукта применяют различные методы высуши-

вания. Сушка термостабильных препаратов осуществляется на подносах,

ленточном конвейере, а также в кипящем слое. Особо чувствительные к

нагреванию препараты высушивают в вакуум-сушильных шкафах при

пониженном давлении и температуре и в распылительных сушилках. К

стабилизации свойств биотехнологических продуктов ведет добавление в

качестве наполнителей различных веществ. Для стабилизации кормового

белка применяют пшеничные отруби, кукурузную муку, обладающие до-

полнительной питательной ценностью. Для стабилизации ферментных

препаратов используют глицерин и углеводы, которые препятствуют де-

натурации ферментов, а также неорганические ионы кобальта, магния,

натрия, антибиотики и др.







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 872. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Логические цифровые микросхемы Более сложные элементы цифровой схемотехники (триггеры, мультиплексоры, декодеры и т.д.) не имеют...

Объект, субъект, предмет, цели и задачи управления персоналом Социальная система организации делится на две основные подсистемы: управляющую и управляемую...

Законы Генри, Дальтона, Сеченова. Применение этих законов при лечении кессонной болезни, лечении в барокамере и исследовании электролитного состава крови Закон Генри: Количество газа, растворенного при данной температуре в определенном объеме жидкости, при равновесии прямо пропорциональны давлению газа...

Ганглиоблокаторы. Классификация. Механизм действия. Фармакодинамика. Применение.Побочные эфффекты Никотинчувствительные холинорецепторы (н-холинорецепторы) в основном локализованы на постсинаптических мембранах в синапсах скелетной мускулатуры...

Гальванического элемента При контакте двух любых фаз на границе их раздела возникает двойной электрический слой (ДЭС), состоящий из равных по величине, но противоположных по знаку электрических зарядов...

Сущность, виды и функции маркетинга персонала Перснал-маркетинг является новым понятием. В мировой практике маркетинга и управления персоналом он выделился в отдельное направление лишь в начале 90-х гг.XX века...

Разработка товарной и ценовой стратегии фирмы на российском рынке хлебопродуктов В начале 1994 г. английская фирма МОНО совместно с бельгийской ПЮРАТОС приняла решение о начале совместного проекта на российском рынке. Эти фирмы ведут деятельность в сопредельных сферах производства хлебопродуктов. МОНО – крупнейший в Великобритании...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия