3.6. Обґрунтування способу проведення біосинтезу

Спосіб проведення біосинтезу відіграє важливу роль в процесі росту мікроорганізмів. Розрізняють такі види аеробного культивування: періодичне, безперервне; глибинне та поверхневе (на рідких і щільних середовищах); стерильне та умовно стерильне; з використанням біокаталітичних реакцій (реактор повного перемішування); імобілізованні системи (ферменти, біомаса та інші); культивування рослинних і тваринних тканинних клітин 16.

При періодичному культивуванні клітини поміщають в закриту посудину певного обсягу, що містить живильне середовище, і задають початкові умови. Поступово збільшується щільність популяції, знижується концентрація поживних речовин і накопичуються продукти обміну, тобто умови існування мікроорганізмів змінюються. Періодичну культуру зазвичай розглядають як замкнуту систему, яка переживає різні фази розвитку 17.. 

Безперервне культивування дозволяє зафіксувати культуру в якійсь певній фазі (зазвичай експоненційній). При цьому склад середовища та умови росту залишаються постійними. Цього домагаються постійним збільшенням нового живильного середовища в посудину для вирощування й одночасним видаленням такої ж кількості середовища з клітинами. Подача свіжого середовища та видалення частини суспензії відбувається з тією ж швидкістю, з якою зростає культура. У цьому випадку встановлюється динамічна рівновага .

При поверхневому культивуванні важливо збільшити площу зіткнення середовища з повітрям. Для цього середовища наливають тонким шаром у посуд з широким дном - чашки Петрі, колби Виноградського, матраци. У рідких середовищах аеробні мікроорганізми часто ростуть, утворюючи на поверхні плівку. Факультативні анаероби розвиваються не тільки на поверхні, але і в товщі рідкого середовища, викликаючи більш-менш рівномірне її помутніння. Поверхневе культивування мікроорганізмів застосо вується як в лабораторних умовах, так і в промисловості. Недолік поверхневого способу – необхідність встановлення безлічі кювет, роботу з якими важко механізувати17.

Глибинне культивування мікроорганізмів має ряд очевидних переваг перед поверхневим, оскільки дозволяє значно скоротити виробничі площі, виключити важку непродуктивну ручну працю, покращити гігієну праці, спрощує механізацію та автоматизацію виробництва, робить можливим перехід на безперервний спосіб культивування. При глибинному способі культивування раціональніше використовуються поживні речовини середовищ, що дають можливість значно скоротити відходи виробництва у вигляді нерозчинних осадів твердого поживного середовища, отримувати препарати з меншим вмістом домішок і більшою питомою активністю 17.

Отже, для культивування E. coli ефективніше проводити глибинне культивування, так як мікроорганізм росте на рідкому середовищі та потребує частої аерації. Також, даний спосіб культивування є економічним.

3.7. Обґрунтування вибору ферментаційного обладнання.

Всі форми та види ферментаційних систем створюються, маючи за основну мету забезпечення однакових умов для всіх компонентів, що містяться в реакторі. Біореактор повинен бути сконструйований так, щоб виключити можливість потрапляння забруднюючих мікроорганізмів, а також забезпечити збереження потрібної мікрофлори. Об’єм культивуємої суміші повинен залишатися постійним. Рівень розчинного кисню повинен підтримуватися вище критичних рівней керування культури аеробних організмів; параметри зовнішнього середовища, такі як температура, рН та інші повинні постійно контролюватися. Культура при вирощування має добре перемішуватись [ 17].

  Конструктивні відмінності ферментерів визначаються в основному способами підвода енергії та аерації середовища:

•   ферментер з підведенням енергії до газової фази;

•   ферментер з підведенням енергії до рідкої фази;

•  ферментер з комбінованим підведенням енергії [18

   Ферментери з підведенням енергії до газової фази. В апаратах цього типу аерація і перемішування культуральної рідини здійснюються стисненим повітрям, яке подається в ферментер під певним тиском. До таких ферментерів відносять:

1.  барботажні ферментери (біореактори), подача повітря в яких здійснюється через барботажні пристрої, розташовані в нижній частині апарату;

2.  апарати з дифузором (ерліфтні аератори), що мають внутрішній циліндр-дифузор, який забезпечує перемішування вступників по розподільних трубах в нижню частину апарата субстрату і повітря;

3.  трубчасті ферментери (газліфтниі), що складаються з реактора кожухотрубчатого типу, через який рідина потоком повітря переміщається у верхню частину апарата і, потрапляючи в сепаратор, повертається в реактор, де знову захоплюється повітрям, піддаючись таким чином циркуляції;

4.  ферментери з форсунковим повітрярозподільником, обладнані форсунками для подачі повітря, розташованими в нижній частині апарату, і розташованим над ними дифузором, який забезпечує внутрішню циркуляцію рідини;

5.  ферментери колонного типу, що представляють собою циліндричну колону, розділену горизонтальними перегородками (тарілками) на секції; повітря барботує через шар рідини кожної тарілки, а переміщення рідини через кільцеву щілину забезпечує протиточний рух рідкої і газової фаз [18].

Ферментери (біореактори) з підведенням енергії до рідкої фази. До таких апаратів відносять:

•  апарати із самозасмоктувальною турбіною, що мають циліндричний дифузор і мішалку з порожнистими лопатями і валом, при обертанні якої за рахунок створюваного розрідження відбувається самовсмоктування повітря, завдяки чому відбувається підйом рідини в кільцевому зазорі між дифузором та стінками апарата з наступним її поверненням у розпилювач;

•  ферментер з турбоежекторними пристроями, що перемішують - апарат, розділений вертикальними перегородками на секції, в кожній з яких є самовсмоктуюча мішалка турбінного типу (ежектор) і дифузор; для переміщення рідини з секції в секцію в перегородках зроблені вікна.

Ферментери з комбінованим підведенням енергії. У цих апаратах здійснено підведення енергії до газової фази для аерації й до рідкої фази для перемішування[17].

Ферментери зазвичай представляють собою герметичні циліндричні ємності, висота яких в 2-2,5 рази перевищує діаметр. Найчастіше їх виготовляють із нержавіючої сталі. Для підтримки температури в апараті є подвійний кожух або теплообмінник типу змійовика.

 Головна вимога до апаратів - збереження стерильності, тому вони повинні бути герметичними, всі лінії трубопроводів повинні бути доступні для обробки гарячою парою [18].

 Тип ферментерів (біореакторів) для кожного біотехнологічного процесу вибирають з урахуванням специфіки продуцента, властивостей середовища та економічних міркувань. Тому для культивування Escherihia coli ми  вибираємо ферментер в якому відбувається аерація, оскільки продуцент є аеробом і потребує кисень [18].

Культивування E. coli передбачається здійснювати глибинним способом в ферментерах. В представленій роботі передбачено використання ферментеру з механічним перемішуванням, так як для проведення культивування E. coli передбачає забезпечення інтенсивного перемішування середовища.

Підтримання температури, оптимальної для гарного росту біомаси і прояву їм підвищеної фізіолого-біохімічної активності, забезпечується сорочкою ферментера або системою змійовиків. Змійовики використовуються також для подачі пари в процесі стерилізації або води для охолодження [17]. 

Спостереження за основними процесами життєдіяльності організму здійснюється контрольно-вимірювальною апаратурою, що дозволяє підтримувати на заданому рівні температуру всередині ферментера, рН середовища, тиск в середині ферментера та інші параметри.

Ферментер забезпечений пристосуваннями для перенесення інокуляту,  внесення додаткових поживних речовин, необхідних для покращення розвитку продуцента та пристроєм для взяття проб [17,18].

Для забезпечення стерильності процесу ферментації в обраному ферментері передбачено використання торцевих ущільнень валу перемішуючого пристрою з паровим захистом. За допомогою застосування такої конструкції вдається практично повністю запобігти потраплянню атмосферного повітря в апарат, що є дуже важливим для збереження асептичних умов культивування [17,18].

РОЗДІЛ 4. Характеристика біологічного агенту