- •Введение в биотехнологию
- •Введение в биотехнологию
- •Таким образом, тенденцией сегодняшнего дня является сознательное конструирование штаммов микроорганизмов с заданными свойствами на основе фундаментальных знаний о
- •3 Технология ферментационных процессов
- •Среды, предназначаемые для ферментационных процессов
- •Биореакторы
- •Открытые и замкнутые ферментационные системы
- •Процессы и аппараты периодического и непрерывного культивирования
- •Конструкция биореакторов
- •Аппараты с механическим перемешиванием
- •Аппараты с пневматическим перемешиванием
- •Аппараты с циркуляционным перемешиванием
- •Система теплообмена
- •Система пеногашения
- •Система стерилизации
- •Проблемы масштабирования ферментационных процессов
- •Специализированные ферментационные процессы
- •Анаэробные процессы
- •Твердофазные процессы.
- •Газофазные процессы
- •Технология выращивания культур животных и растительных клеток
- •4 Культивирование биотехнологических объектов
- •Субстраты для культивирования биообъектов
- •Природные сырьевые материалы
- •Побочные продукты – биотехнологическое сырье
- •Химические и нефтехимические субстраты
- •Сырьевые материалы и перспективы биотехнологии
- •5 Производство одноклеточного белка
- •Применимость и токсикология одноклеточного белка
- •Одноклеточный белок на высокоэнергетических субстратах
- •Одноклеточный белок на отходах
- •Одноклеточный белок из сельскохозяйственного сырья
- •Одноклеточный белок из водорослей
- •Экономические аспекты применения одноклеточного белка
- •Заключение
- •6 Отделение, очистка и модификация продуктов Конечные стадии при биотехнологических процессах
- •Отделение биомассы
- •Методы разрушения клеток
- •Отделение и очистка продуктов
- •Полная ферментационная культура
- •Концентрирование продукта
- •Обезвоживание продукта (сушка)
- •Модификация продуктов
- •Стабилизация продукта
- •7 Ферментативная технология
- •Применение ферментов
- •Затраты производства (и в первую очередь стоимость ферментных препаратов), сделав их более конкурентоспособными в сравнении с химическими препаратами.
- •Технология производства ферментов
- •Иммобилизованные ферменты
- •Химические методы иммобилизации ферментов
- •Органические полимерные носители
- •Полисахариды
- •Синтетические полимерные носители
- •Полимеры на основе стирола
- •Полимеры на основе производных акриловой кислоты
- •Полиамидные носители
- •8 Клеточная инженерия
- •Культуры каллусных клеток
- •Получение протопластов
- •Культивирование протопластов
- •Слияние протопластов
- •Гибридизация соматических клеток
- •Литература Основная
- •Дополнительная
Система теплообмена
Теплообмен осуществляется с помощью труб с охлаждающим или нагревающим агентом, которые оплетают аппарат и образуют так называемую рубашку реактора. Иногда эта система труб располагается непосредственно в полости ферментора. Нагревающими агентами в промышленных биореакторах служат горячая вода или пар. Естественно, в лабораторных ферменторах чаще используется электрический подогрев.
В качестве охлаждающих агентов применяют воду с низкой температурой (артезианскую или пропущенную через холодильную установку); более глубокое охлаждение достигается использованием этиленгликоля или фреонов. Проблема охлаждения ферменторов становится очень значительной в промышленных масштабах.
Система пеногашения
Пеногашение – средство борьбы с избыточным ценообразованием. Существуют химические, механические, акустические и другие виды пеногашения. Наиболее часто применяют химические и механические способы пеногашения. К химическим средствам относятся поверхностно-
активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногасителями служат растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное) масла, животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при их утилизации микробными клетками сами по себе способствуют пенообразованию.
Механические пеногасители представляют собой различные устройства, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое. Все эти устройства, конечно же, приводят к дополнительным затратам и удорожают производство.
Система стерилизации
Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферменторы воздуха или другого газа.
Режимы термальных способов стерилизации определяются химическим составом питательных сред. При этом определяющим является состояние компонентов среды послестерилизации; главное сохранность ее питательных качеств.
Проблемы масштабирования ферментационных процессов
Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000 л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.
Лабораторные ферменторы по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем
теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок.
С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:
кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;
некоторые массообменные – расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2 и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);
определение коэффициентов реакций, связывающих
утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.
Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общихчертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов. При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.
Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затемот пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.