512 Раздел второй. Про.'>~ыщлепные хuмико-техпологuческuе процессы

очистку,- до 200 мг/л. Как правило, до поступления на биологи­

ческие очистные сооружения сточные воды производства метано­

ла многократно разбавляются сточными водами других произ­

водств и хозяйственно-бытовыми водами.

Вопросы для повторения и самостоятельной проработки

1.Каковы основные перспективные области применения метанола? Какие виды сырья используются для его синтеза?

2.Составьте функциональную схему получения газа для синтеза

метанола. Что ее отличает от схемы получения технологического газа для синтеза аммиака?

3.Составьте химическую схему синтеза метанола, учитывающую

реакции образования побочных соединений.

4.Объясните механизм синтеза метанола.

5.Какими свойствами должны обладать катализаторы синтеза мета­

нола?

6.Обоснуйте оптимальные условия синтеза метанола. Проанализи­

руйте влияние температуры, давления, объемной скорости газа на выход метанола. Чем вызвано ограничение повышения давления?

7.Чем обусловлена циркуляционная схема синтеза метанола?

8.Почему необходимо часть циркуляционного газа удалять из цикла?

9.Составьте схему синтеза метанола. Нарисуйте эскиз колонны

синтеза.

10.В чем состоят особенности производства метанола при низком

давлении?

11.В каких направлениях проходит совершенствование производства метанола?

Глава 17

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ БИОТЕХНОЛОГИИ

Биотехнология - использование живых организмов и биоло­ гических процессов в производстве. Биотехнология использует дос­ тижения биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и

генетики, иммунологии, биоорганической химии и широко при­

меняется в ферментном производстве, пищевой, фармацевтической,

горнорудной и химической промышленности, проuессах биологи­ ческой очистки сточных вод и др.

Главная особенность биотехнологии состоит в том, что ее про­

цессы протекают при температурах и давлениях, близких к нор­

мальным, не требуя высоких энергетических затрат. Благодаря

этим особенностям биотехнология, имея высокую экономическую

эффективность, приобретает вес более важное значение среди

новейших направлений научно-технического прогресса.

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

S\J

Современнан биотехнологиякомплексная многопрофильная

отрасль, включающая в себя такие разделы, как микробиологичес­ кий синтез, генетическая и клеточная инженерия, инженерная

энзимология.

§17.1. Микробиологический синтез

Воснове микробиологического синтеза лежат сложные био­

химические превращения, обеспечивающие получение требусмой биомассы или продуктов ее жизнедеятельности.

Микробиологический синтез происходит в клетках микро­

организмов или вне их под действием выделяемых микроорганиз­

мами ферментов (энзимов). В технологических процессах исполь­

зуются м и кроорган измы, сnособные размножаться с большой

скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых уве­

личивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохо­

зяйственных культур), а также к сверхсинтезуизбыточному об­

разованию продуктов обме на веществ (аминокислот, витаминов,

нуклеотидов и др.), превышающему потребности микробной клет­ ки . Такие микроорганизмы выделяют из природных исто<Iников или выводят искусственно (методами генетической инженерии и др.).

Технологический процесс микробиологического синтеза (рис. 17. 1)

состоит из подготовки высокопроизводительной культуры микро­

организма (продуцента); приготовпения питательной среды (суб­

страта); выращивания продуцента; культивирования IIродуцента в заданных условиях, в ходе которого осуществляется микробио­ логический синтез (эту стадию называют обычно ферл1ентацuей); сгущения и отделения биомассы или выделения и очистки целевого продукта. Для сгущения используют сепараторы, флотаторы, фильт­ ры , выпарные аппараты. Сгущенная биомасса поступает в сушиль-

Охлаждение

		Отделение
		биомассы
	Аэрация	Сушильный
		агент
	Питательная	Готоный
		nродукт
	среда

Рис. 17.1. Функниональная схема получения биомассы

514 Раздел вmopou. Промышленные химико-технологические процессы

ные устройства, после которых и получают готовый продукт. Часть отработанной культуральной жидкости, выделенной при сгуще­ нии биомассы, возвращается в ферментер, другая часть подвер­ гается биологической очистке и выводится из технологического

пpottccca.

Рост и развитие микроорганизмов происходят пол. воздействи­ ем большого числа факторов, определяемых условиями окружаю­

щей среды. Главными из них являются: питательная среда (суб­

страт), кислород и физико-химические параметры (температура,

давление, рН и окислительно-восстановительный потенциал) . Питательная среда состоит из углеродсодержащих соединений

и минеральных веществ. В качестве источников углерода для роста

микроорганизмов могут использоваться различные углеродсодер­

жащие соединения, например н-парафины, метан, газойль и др.

К наиболее благоприятным источникам углерода относятся угле­

воды. В промышленности широко используется получение белка

из очищенных жидких парафинов. Возможно для этой цели при­ мснение метанола. Технологический процесс биосинтеза белка из

метанола относительно прост и не требует значительных энерго­

затрат.

К необходимым элементам минерального питания относятся азот, фосфор, магний , калий, железо, цинк и марганец. Кроме того,

питательная среда содержит ряд элементов в микроколичествах:

молибден, медь, кобальт, кальций, никель, сера, хлор, натрий и др.

Недостаток в питательной среде какого-либо элемента минераль­

ного питания приводит к заметным изменениям в разв итии кле­

ток и их составе .

Для расчета необходимых концентраций элементов минераль­ ного питания используют зависимости, учитывающие балансовые

соотноtuения элементов питания в процсссе и их потребление

м и кроорган и змам и:

. . . v

с'= сЬ- a'J.LX-,

и

где с;, сЬ - соответственно остаточная и исходная концентрация

элемента питания, кг/м3 ; а' -расходный коэффициент по данному

элементу, кг/кг; 1J. - удельная скорость роста микроорганизмов, •r - 1; х- концентраLIИЯ клеток, кг/м3 ; V- рабо•1ий объем аппарата,

м'; и- объемный расход, м 3jч.

Существенное влияние на продуктивность микробиологичес­ кого синтеза оказывает кислород. Он участвует в процессе дыха­ ния юробных микроорганизмов в качестве акцептора электронов в дыхательной непи клетки, а также srвляется компонентом суб­ страта, входящим в состав клеточной массы.

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

515

Зависимость для расходного коЭ<tхjшциента по кислороду (в кг Oiкr

биомассы) может быть представлена в виде

ао2 =а+ Ь / 1-l'

где а- коэффициент, учитывающий расход кислорода на росто­ вые процессы, кг О)кг биомассы; Ь - коэффициент, учитываю­

щий расход кислорода на поддержание жизни, кг/(кг · ч).

Так, для выращивания дрожжей на углеродном субстрате в прак­

тически реализуемой области скоростей роста указанная зависи­

мость и меет вид

а02 = 1,35+0,125/!-l·

Температура влияет на показатели процесса роста биомассы

и внутриклеточный состав. Для углеводаокисляющих дрожжей

оптимальный инт.ервал температур 305-307 К. Большинство мета­

ноокисляющих бактерий имеет температуру 303 К. В процессе био­ синтеза выделяется большое количество теплоты, которую необ­

ходимо отводить.

Давление до 1,О 1 · 106 Па существенно на метаболизме клеток

не сказывается. Давление 1,О 1 · 107 Па и более угнетает рост и раз­

множение большинства микроорганизмов.

Механизм влияния рН среды на активность, рост и размножение

микроорганизмов достаточно сложен. Для различных микроорга­

низмов при рН от 4 до 9 существуют свои оптимальные области.

Для дрожжей, например, наилучшими значениями рН являются 4-6. Выявлена экстремальная зависимость между окислительно-вос­

становительным потенциалом и удельной скоростью роста дрожжей.

В расчетах принимается, что продуктами биохимической реак­

ции являются только биомасса, вода и диоксид углерода.

Основная стадия микробиологического синтеза - стадия био­

химического превращения, осуществляемого в биохимическом ре­

акторе (ферментере). В зависимости от способа биохимического

превращения применяют реакторы непрерывного и периодичес­

кого действий, а в зависимости от требований стерильностисте­

рильные (герметичные) аппараты и нестерильные. Конструктив­

нос оформление реакторов зависит от вида субстратов - жидких (парафины, дистилляты, гидролизаты) или газообразных (метан,

диоксид углерода), а также от расхода кислорода на проведение

процесса и теплового эффекта реакции биосинтеза. К числу общих требований, предъявляемых к биохимическим реакторам, относит­ ся обеспечение интенсивного массо- и теплообмена, высокой сте­

пени гомогенизации и турбулизации среды в реакторе.

Микробиологическая промышленность специализируется в

основном на производстве средств интенсификации сельского

516 Разdел второй. Про.~нышленные химико-технологические процессы

хозяйства, поставляя ему высокоэффективные кормовые добавки

ипрепараты, повышающие продуктивность скота и птицы: кор­

мовые дрожжи, аминокислоты (лизин), премиксы (комплексные добавки), витамины, ферменты, кормовые и ветеринарные анти­ биотики, микробиологические средства защиты растений от вре­ дителей и болезней, бактериальные удобрения, способствующие

росту урожайности продовольственных кормовых и технических

культур. Расширяется также выпуск продуктов и препаратов для нужд текстильной, пищевой, медицинской, химической и других отраслей промышленности, для научных исследований. Перспек­ тивно применение микробных препаратов в кожевенной, меховой, парфюмерной, косметической промышленности, в льнопереработке,

производстве стиральных порошков, паст и других моющих средств.

§ 17.2. Генетическая инженерия.

Инженерная энзимолоrия

Генетическая инженерия. Совокупность методов, позволяющих

искусственно конструировать молекулы наследственного матери­

аладезоксирибонуклеиновой кислоты (ДН К), называется гене­ тической инженерией. Она является одним из перспективных раз­

делов биотехнологии, делающей возможным вносить в клетку гены

из любого организма, включая и гены человека, и расширить таким

образом ее возможности как продуцента для медицины, сельского хозяйства и промышленности.

Методами генетической инженерии возможно создание штам­

мовпродуцентов белков человека: интерферона, инсулина, гор­

мона роста, других ценных лекарств, диагностических препаратов,

совершенствование или создание новых высокоэффективных штам­ мов для производства антибиотиков, аминокислот, витаминов,

а также выделение новых культур микроорганизмов и создание

биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток микроор­ ганизмов, которые найдут применение в химической, горноруд­ ной, микробиологической и пищевой промышленности, произ­

водстве источников энергии.

Успешно развивается генетическая инженерия и в растение­

водстве. Генети•1еский синтез клеток может вызвать появление у растений таких свойств, как стойкость к условиям окружающей среды, повышенная интенсивность фотосинтеза, способность бак­ терий, обитающих на корнях растений, связывать азот из атмос­ феры в соединения, усваиваемые растениями. Активизация фо­

тосинтеза и передача азотфиксирующей способности пшенице,

рису и другим зерновым культурам способствует выведению сортов

Глава 17. Особенности процессов биотехнологии

517

с более высоким содержанием белка. Попутно решается nроблема

экономии энергоресурсов, в частности газа и нефти, исnользуе­

мых в nроизводстве азотных удобрений.

Инженерная энзимолоrия. Весьма nерсnективной является ин­

женерная энзимология, т. е. исnользование ферментов в качестве биокатализаторов при промышленном nолучении большого раз­

нообразия веществ. Ферменты nовышают скорость реакций в мил­

лионы раз. Они позволяют существенно nонизить температуру

идавление nри проведении процессов, исnользуемых современ­

ной химической технологией, что nриводит к значительному умень­

шению энергоемкости и отказу от дорогостоящих неорганических

катализаторов. Важно и то, что ферментативный синтез полимер­

ных соединений в отличие от химического синтеза не вызывает

загрязнения окружающей среды .

Одно из новых наnравлений в инженерной энзимологии­ исnользование иммобилизованных ферментов, молскулы которых

закреnлены на поверхности твердого вещества инертного носитс­

ля или в его порах. Фермент соединяют с твердой и нераствори­

мой основой, nользуясь химической сшивкой, сорбцией на повер­

хности твердых частиц или удержанием его в полостях пористого

тела. В результате фермент оказывается нерастворимым, отделяет­

ся от реакционной массы, становится стабильным и, как nравило,

не утрачивает своей активности. В качестве носителей исnользу­

ются керамика, стекло, полимеры и другие материалы. Иммоби­ лизованные ферменты применяют в аналитических исследовани­ ях (созданные на их основе ферментные электроды nозволяют

определять в биологических пробах очень малые добавки, до I0 -2 г

различных веществ), в тонком органическом синтезе. С иммоби­ лизованными ферментами связаны круnные nерсnективы в техно­

логии искусственной пищи (синтез белков, аминокислот, глюкозы),

в медицине, химическом анализе биологически активных соеди­ нений, иммунологии, микроэнергетике (в частности, в тоnливных элементах).

В биотехнологии достигнуты определенные усnехи в исnоль­

зовании иммобилизованных клеток. В этих процессах живые клет­ ки бактерий, дрожжей, растений или животных иммобилизуют в

студневидной средеnолиакриламидном геле, желатине или кар­

рагенинс, сначала в условиях, когда они могут размножаться, а за­

тем уже в рабочем режиме. Размножение может nрекратиться, клетки nерсходят в покоящеесн состояние или даже nогибают, но

их ферментативная система сохраняет свою активность. Процесс

обычно протекает непрерывно. Уже известно довольно много nромышленных проuессов с nримененисм иммобилизован ных