ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
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 окончательно. 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 поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды. В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена блок-схемой: независимо от вида используемого сырья, типовая схема микробиологического производства белка включает получение и подготовку сырья, получение посевного материала, ферментацию, выделение, инактивацию, сгущение микробной биомассы, последующее высушивание и стандартизацию готового продукта. Большое значение имеет качество исходного посевного материала (инокулята). Инокулят получают из музейной культуры в несколько стадий с применением принципа масштабирования. Подготовленные инокулят, основной ростовой субстрат и все необходимые питательные компоненты вместе с воздухом подают в ферментер, в котором происходит основная стадия биотехнологического процесса – ферментационная. Стадия ферментации проводится в соответствии с Технологическим регламентом, разработанным для конкретного процесса, включая субстрат и тип продуцента, и сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков питательных веществ и воздуха (или газовой смеси), стабилизации основных параметров процесса на заданных уровнях и своевременному отводу из аппарата отработанного воздуха, образующихся продуктов, а также тепла.
На предферментационной стадииосуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются различные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Поэтому дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с Технологическим регламентом конкретного процесса.
Стадия ферментацииявляется основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая«незащищенная» ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды).
Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическоми проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.
Постферментационная стадияобеспечивает получение готовой товарной 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 постферментационной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках. Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – биомассы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах – сепараторах, которые работают по различным схемам в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости. Для повышения эффективности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры – изменение рН, нагревание, до-бавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехнологических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания. 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
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Источник
Элементы и стадии биотехнологического процесса
В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную.
На предферментационной стадии осуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются различные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с технологическим регламентом конкретного процесса.
Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая незащищенная ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно 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 микроорганизмов .
Биохимические превращения в этом аппарате продолжаются от десятков 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 изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – ферменты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вторичные метаболиты – антибиотики) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимальной продукции того или иного целевого продукта. Периодически ферментер опорожняют, производят выделение и очистку продукта, и начинается новый цикл.
Непрерывный процесс культивирования микроорганизмов обладает существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная 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.
Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной 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 постферментационной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.
Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – биомассы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах – сепараторах, которые работают по различным схемам в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости. Основные проблемы возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц с размером 0,5–1,0 мкм и менее (бактериальные клетки) и необходимостью переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка, ряда аминокислот). Для повышения эффективности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры – изменение рН, нагревание, добавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехнологических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания. 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 дополнительной питательной ценностью. Для стабилизации ферментных препаратов используют глицерин и углеводы, которые препятствуют денатурации ферментов, а также неорганические ионы кобальта, магния, натрия, антибиотики и т. д.
Источник
Ферментация
Биотехнологическое производство может быть предназначено для различных потребностей, оно используется во многих сферах жизни, от пищевой промышленности (получение живых клеток кисломолочных бактерий) до медицины (изготовление вакцин и антибиотиков). В данной статье мы рассматриваем его в контексте производства биопрепаратов.
Стадии биотехнологического процесса
Любой биотехнологический процесс проходит в три основных стадии:
- предферментационная,
- ферментационная
- постферментационная
Принципиальная схема указана на рисунке. В ней сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов.
Предферментационная стадия
На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята). Инокулятом называется микроорганизм или биомасса, которая будет производить целевой продукт; иными словами, это «посевной материал», который будет основным участником производства. В производстве биопрепаратов обычно используются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений). Продуцент, его физиолого-биохимические свойства и характеристики определяют эффективность всего биологического процесса.
Также на предферментационной стадии проводится подготовка и получение питательных субстратов и сред, технологических и рециркулируемых воды и воздуха, настройка ферментационной аппаратуры. Компоненты питательных сред выбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит с учетом расходуемой (выделяемой) энергии.
Промышленный штамм
Подготовленный к процессу инокулят носит название промышленного штамма. В идеале промышленный штамм должен удовлетворять следующим требованиям:
- стабильности структурно-морфологических признаков, физиологической активности и эксплуатации в производстве;
- повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(-ов);
- достаточно широкому диапазону устойчивости к неблагоприятным внешним факторам (колебаниям температуры, перемешиванию, рН, вязкости среды); умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания; чем более широкий набор источников азота, углерода и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче и с большей выгодой его культивируют.
При выращивании посевных доз инокулята используют принцип масштабирования, т.е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в бутылях, колбах, далее – в серии последовательных ферментаторов. Как правило, каждый последующий этап процесса на порядок отличается по объему от предыдущего. Полученный продуцент направляется по стерильной посевной линии далее в аппарат, где реализуется ферментационная стадия.
Приготовление питательных сред
Приготовление питательных сред происходит в специальных реакторах, оборудованных мешалками, обеспечивающими массообмен. В зависимости от совместимости и растворимости компонентов сред могут быть использованы отдельные реакторы. Технология приготовления значительно усложняется, если в состав сред входят нерастворимые компоненты.
Ферментация
Ферментация может происходить в строго асептических условиях или без соблюдений правил стерильности (т.н. незащищенная ферментация); на твердых и жидких средах, аэробно и анаэробно.
Аэробная ферментация протекает глубинно (во всей толще питательной среды) или поверхностно. Культивирование биологических объектов может осуществляться в проточном или периодическом режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.
Постферментационная стадия
Получение готовой товарной продукции, а также обезвреживание отходов побочных продуктов обеспечивает постферментационная стадия. Культуральная жидкость, которая образуется в процессе ферментации — это сложная многофазная система: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха, не потребленные компоненты питательной среды. Концентрация целевого продукта обычно составляет в ней не более 1,5%, то есть 10% сухого остатка и меньше.
В зависимости от целевого назначения конечного продукта, его вида (культуральная жидкость или клетка) и его природы, на постферментационной стадии используют различную аппаратуру, способы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках. (фото 2)
Виды ферментаторов
Основное назначение ферментатора состоит в том, чтобы обеспечить оптимальные условия для развития инокулята и образования целевого продукта. Если рассматривать общее устройство данного аппарата, то он, как правило, выглядит в виде вертикального стального цилиндра с полукруглым дном. В верхней части находится крышка с отверстиями для ввода питательной среди, а из нижней сливается культуральная жидкость. Конструкция аппарата позволяет создать наилучшие условия для производства: он оснащен мешалками, трубками для подачи и вывода воздуха, приспособлениями, обеспечивающими равномерность концентрации растворимых веществ и коллоидных частиц в среде.
Ферментаторы классифицируются по способу ввода энергии для перемешивания:
- ФГ с подводом энергии газовой фазой. Аппараты характеризуютсяконструктивным оформлением и высокой надежностью в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей. Тип ферментатора: барботажный, барботажно-эрлифтный, колоночный (колонный), форсуночный.
- ФЖ с подводом энергии жидкой фазой. В аппаратах энергия передается жидкой фазе самовсасывающейся мешалкой или насосом. Тип аппарата: эжекционный, с циркуляционным контуром, с всасывающей мешалкой.
- ФЖГ (комбинированные), где основным элементом является перемешивающее устройство, которое обеспечивает высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа. В то же время, энергия газовой фазы выводится обычным способом. Тип аппарата: барботажный с механическим перемешиванием.
Источник