5.2. Ферментеры газлифтные колонные и тарельчатые. Достоинства и недостатки.

Газлифтные колонные ферментеры: 2<H/d<10. Имеются аппараты как с внутренним так и с внешними контурами естественной циркуляции. Предназначены для выращивания бактерий рода Pseudomonas на метаноле.

Состоит из двух колонн различного d, одна из которой является барботажной трубой с восходящим потоком а другая циркуляционной с нисходящим потоком. В циркуляционной колонне установлен теплообменник а так же устройство для дополнительного ввода воздуха. Колонна сверху соединяется с камерой с большой поверхностью, что способствует хорошему газоотделению и пеногашению. Благодаря высокому гидростатическому давлению в нижней части барботажной колонны обеспечивается высокая концентрация кислорода. Коэффициент использования кислорода составляет примерно 50% . Аппарат имеет низкие энергозатраты, а так же тонко диспергирует воздух.

Ферментеры тарельчатые. Тарелки перекрестного, провального и прямоточного типа.

1) Перекрестные: колпачковые, ситчатые, волпачковоситчатые. Имеют специальное переливное устройство, обеспечивающее перекрестное движения жидкости и газа при переливании жидкости с тарелки на тарелку.

2) Провального типа: беспереливные, дырчатые, решетчатые, трубчатые, трубчато-решетчатые: Котнтакт жидкости и газа происходит при их прохождении через одни и те же отверстия по схеме полного смешения.

3) Прямоточный: тип движения жидкости и газа в одном направлении.

Колонный аппараты предназначены для получения белка на метаноле, этаноле, дрожж. культурами. Охлаждение происходит встроенными теплообменниками. Среда подается в верхнюю часть колонны или в каждую секцию отдельно в случае секционных аппаратов, и аппаратах раздленных горизонтальными перегородками. Отличительный способ тарельчатых колонн является возможность организовать оптимальный поток газа и жидкости как по направлению так и по объему. Может быть реализована прямоток, противоток, циркуляция, подпитка средой или газом в любой точке колонны.

Низкие кап. затраты, малая энергоемкость, надежность.

Небольшая кратность циркуляции, большая металоемкость, большой коэффициент заполнения.

5.3. Аминокислоты. Биосинтез, производство и характеристика лизина.

Лизин (α, ε-диаминокапроновая кислота) имеет молекуляр­ную массу 146,19. Хорошо растворим в воде, кислотах, основа­ниях; трудно растворим в спирте и нерастворим в эфире. Раз­лагается при температуре 224—225°С. Кристаллизуется в виде гексагональных пластинок или бесцветных игл. Структурная формула:

NH₂—(CH₂)₄—CH(NH₂)—COOH

В организме человека и животных определяет биологическую ценность перевариваемого белка, способствует секреции пищева­рительных ферментов и транспорту кальция в клетки, улучшает общий азотный баланс в организме. При добавлении лизина в рационы животных (0,1—0,4%) значительно увеличивается ко­эффициент использования кормового белка (15—20%), что приводит к сни­жению расхода кормов (20%).

Технич. препараты L-лизина, получают в виде жидкого концентрата лизина (ЖКЛ), сухого кормового концентрата лизина (ККЛ) и кормового кристаллического L-лизина. В товарном продукте лизин содержится в виде монохлоргидрата, его формула – С₆Н₁₄О₂N₂*HCl.

Помимо лизина товарные формы ЖКЛ и ККЛ содержат большое кол-во др. соединений, повышающих ценность кормовой добавки – это ростовые факторы: ам.кислоты и витамины гр.В.

Лизин можно получать хим. методом (из циклогексанона) и с помощью м/о: двухступенчатый (в качестве сырья – предшественники лизина, например -аминокапролактам или -аспарагиновая кислота, кот. ферментативно трансформируют в лизин) и одноступенчатый способ. В нашей стране одноступенчатый способ получения L-лизина – МБ синтез лизина, является наиб. перспективным и эк. выгодным.

+ возможность получения L-лизина на основе возобновляемого сырья и получение L-формы лизина. Одноступенчатый способ получения L-лизина микробиологическим путем представляет собой выращивание на специально подобранной среде м/о, обладающего способностью к сверхсинтезу L-лизина, способного образовывать L-лизин свыше 40 г/л.

Продуценты L-лизина – гр+ бакт., глутаматпродуцирующие коринебактерии Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, синтезирующие его через α-диаминопимелиновую к-ту по ДАП-пути, начинающийся с аспарагиновой кислоты. Ауксотрофны (биотин, тиамин, треонин и метионин), опт. tº для роста является 29–30°С, рН 7,0—7.5.

Кроме лизина при биосинтезе из аспартата образуются также метионин, треонин и изолейцин. Контроль осуществляется на уровне первого фермента β-аспартокиназы. Акт-ть β-аспартокиназы регулируется путем согласованного ингибирования по пр-пу обратной связи треонином и лизином. Для получения сверхпродукции лизина необходимо заблокировать биосинтез треонина, метионина, гомосерина и изолейцина, что возможно путем подавления акт-ти гомосериндегидрогеназы или гомосеринкиназы.

Поэтому используют 3 вида мутантов: 1) Ауксотрофы по гомосерину или треонину (отсутствует активность гомосериндегидрогеназы или гомосеринкиназы); 2) метионин или треонин чувствительные штаммы (акт-ть по ферментам снижена 20 раз); 3) аналогорезистентные прототрофные продуценты лизина (имеют генетически измененную β-аспартокиназу).

Поэтому в среду необходимо добавлять строго регламинтированное кол-во гомосерина, треонина, метионина, также биотина (>20 мкг/мл) и тиамина и др.

В промышленности для культ-ия в качестве источника С используют свеклович. мелассу, гидрол (отходы производства сахара), различные гидролизаты целлюлозосодержащего сырья.

Основной источник С – свеклович. меласса, уксус. к-та. Из литерат. источников можно использовать этанол (в концентрации до 2-х %, может быть ингибитором). Перспективна частичная или полная замена мелассы на уксус. кислоту + ацетат NH₄⁺ и Са²⁺ в концентрации 1.5-2.0 % (имеет место при производстве сух. препаратов или кристаллических).

Источник N – соли аммония, мочевина, кукурузный экстракт, гидролизаты кормовых, пекарских дрожжей. Также необходимы микроэлементы, макроэлементы и фосфор, их часто не добавляют, т.к. они в достаточном количестве в кукуруз. экстракте и гидролизатах дрожжей.

Технологическая схема:

1) Приготовление питат. ср. и стерилизация. Свеклович. меласса готовится и стерилизуется отдельно, т.к. в ее состав входит термолабильный компонент сахароза. Ее растворяют в горячей воде, а затем стерилизуют глухим паром. Остальные компоненты – нагревают до опр. tº, выдерживают и охлаждают до tº культ-ия. Отдельно также стерилизуют Пеногаситель, особенно если масло или жир.

Для стерилизации воздуха – система фильтров и кондиционеров: висциновые фильтры для очистки от грубой взвеси, фильтры с активным углем и др.

Ферментеры и инокуляторы промывают холод., гор. водой, затем обрабатывают острым паром. Датчики измерит. приборов и др. – холодные методы стерилизации с помощью хим. реагентов.

2) Получение посев. материала. Культуру подготавливают в МБ лаб-ии. Сначала выращивают в пробирках (2% мясопепт. агар) в опт. усл. в течение суток, затем в качалочных (маточных колбах), затем в посевных колбах. Затем из посевных колб материал помещают в 1-ый инокулятор в количестве 1-20%(в среднем 3-5%) от объема среды, затем во второй.

Коэф. заполнения инокулятора 0.5-0.7. Культуру выращивают в течении 18-24 часов в оптим. условиях. Расход воздуха 1V/(1 V среды*мин). Перемешивание в результате барботажа или при использовании турбинной мешалки.

3) Ферментация. Выращивают в ферментерах период. способом. V фер-ов – 50,63,100 м³. Вводят посевную к-ру в количестве 5-10% от V объема питат. среды. Ферментацию проводят 55-72 ч при интенсивной аэрации и перемешивании. Условия опт, как при получении посев. материала. Р = 0.02-0.03 МПа, периодически подается пеногаситель.

В процессе ферментации возможно изменение рН. Поэтому подтитровывают 25% NH₃ или 15% NaOH и организуют “дробную подпитку”, она обязательна в случае использования в качестве источника С уксус к-ты или спирта. она приводит к активации биосинтетической акт-ти.

Готовая культурал. жид-ть (КЖ) содержит биомассу продуцента, тв. взвесь среды, витамины: рибофлавин, пантотеновая к-та, фолиевая к-та, никотинамид и др. На основе КЖ получают ЖКЛ и ККЛ.

4) КЖ имеет низкое содержание сух. в-в (10-13%) и не обладает стабильностью при хранении и нагревании (возможно образование при конденсации сахаров с -аминогруппами лизина соединений, кот. не усваиваются животными). Поэтому КЖ предварительно перед высушивание и упариванием стабилизируют. При стабилизации добавляют 25% бисульфатNa и HCl до рН 4.5 и получают монохлоргидрат лизина.

5) Получение ЖКЛ. Сначала КЖ нагревают до 95-100ºС в ТО. Затем КЖ упаривают в двухкорпусной вакуум-выпарной установке, до содержания сух. в-в 40%. Содержание лизина 8%.

6) Получение ККЛ. ККЛ получают на основе ЖКЛ. ЖКЛ сушат на распылит. сушилке воздухом с t=90ºС до остаточной влажности 5-6%. Получаю ККЛ без наполнителя с сод-ем монохлоргидрата лизина 15-20%. Также белки, ам.кислоты, бетаин и др. орг. соединения. Состав ЖКЛ и ККЛ б/наполнителя одинаков. Такой ККЛ – гигроскопичен. Для ликвидации этого недостатка используют наполнители: костяная мука, СаО, наиб. часто пшеничные отруби. Смешивают в смесители. Полученную массу отправляют на вальцево-ленточную сушилку  гранулы или порошок с содержанием лизина 7-10%. Вместо наполнителя можно использовать дрожжи, которые усваивают углеводы и орг. к-ты.

7) Получение кристал-их препаратов лизина. На основе не стабилизированной КЖ. КЖ после ферментации поступает на фильтрационную установку, где отделяется биомасса и тв. частицы. Они высуш-ся с получением сухого биошрота (используют как обогатит. добавку в корма).

Фильтрат с рН=7 или с 1.6.2.0 (подкисленный для более полного извлечения лизина) поступает на ионообмен. колонны с катионитом в аммонийной форме. Фильтрат после сорбции лизина удаляют. Лизин с ионнообмен. смолы элюируют NH₃ (в элюат переходит 80-90% лизина). Элюат из сборника потупает в выпарной аппарат, где сначала освобождается от NH₃ при t=80ºС. Затем в выпарной аппарат добавляют HCl до рН=4.9 и выпаривают под вакуумом при 60ºС до конц-ии лизина 30-50%, затем охлаждаюткристаллынутч-фильтр(фильтрат, обр-шийся после нутч-фильтраснова в выпарной аппарат). Готовый продукт содержит от 70-90% лизина.

Отходы пр-ва и охрана окр. среды. При пр-ве кормового L-лизина, в окр. среду в составе конденсата и выбросов из ферментера попадают: бутиловый спирт, метилбутиловый кетон, фенол, крезол, пиридин, циклогексиламин, изомасляная к-та, пропионовая к-та и др. в-ва. Также отходами являются – технолог. стоки и промывные воды, включающие клетки продуцента, ам.кислоты и др. компоненты КЖ, а также следовые кол-ва лизина. Их объединяют, упаривают и сушат с наполнителем до остаточной влажности 10%. Получают препарат, кот. используют как кормовой продукт, он содержит до 40% белковых в-в.