Полная версия

Главная arrow Агропромышленность arrow СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Теоретические основы биотехнологии. Техническая биохимия и микробиология

Современная классификация биотехнологических методов и производств

Основные направления биотехнологии уже перечислены в кратком рассмотрении истории метода и могут быть представлены схемой на рис. 2.1.

Классификация основных разделов биотехнологии

Рис. 2.1. Классификация основных разделов биотехнологии

Промышленная биотехнология: культивирование микроорганизмов

Главной тенденцией развития биотехнологических производств является повышение их производительности, интенсификация процессов. Этому служит внедрение высокопродуктивных продуцентов и применение высокоэффективной технологии.

В целом разработка биотехнологического производства является довольно сложным процессом и складывается из ряда этапов:

  • 1) выбор биообъекта (м.о. или изолированные клетки) и получение его чистой культуры;
  • 2) подбор подходящего субстрата;
  • 3) разработка конструкции аппарата;
  • 4) оптимизация условий культивирования;
  • 5) обеспечение автоматического контроля процесса;
  • 6) разработка способов выделения и очистки готового продукта.

На этапе культивирования необходимо учитывать экономические факторы: экономичность метода в целом и его масштаб.

Конкурентом здесь может быть химический метод. Преимуществом биотехнологии в отдельных случаях может быть уникальность метода. Например, только этим методом можно получить один оптически активный изомер без примеси другого.

Необходимо правильно оценить масштаб производства и, соответственно, степень сложности и автоматизации аппаратуры (медицина и пиво). Очень важной особенностью биотехнологического производства является требование стерильности. Однако есть процессы, где это не имеет значения (получение биогаза).

Чем крупнее производство, тем тщательнее оно должно быть исследовано и обосновано. Это необходимо для получения возможности правильного расчета параметров режима и конструкции реактора.

После решения поставленных выше вопросов стремятся к максимальному удешевлению производства — использованию наиболее простых сред для культивирования м.о. (субстратов) .

Необходимо иметь в виду, что первые три этапа организации производства отрабатываются параллельно и совместно — выбор объекта, субстрата и конструкции аппарата.

В методических целях можно начать с субстрата и аппаратуры. Поскольку конечный эффект возможен только при условии технической возможности процесса.

Субстраты для культивирования биообъектов

Для обеспечения жизнедеятельности, роста и развития биообъекта с синтезом целевого продукта необходима питательная среда. При этом требования различных м.о. очень разнообразны, как к условиям роста, так и к составу питательной среды. Питательная среда должна содержать все макро- и микроэлементы, необходимые для построения клетки.

Все жизненные процессы протекают в воде. В биотехнологии используется разная вода — артезианская, водопроводная и из водоемов, после обработки. Вода должна быть биологически чистой, бесцветной, без вкуса и запах. Имеются ограничения по жесткости — не более 7 мг-экв/л. Ограничивается содержание свинца, цинка, меди и фтора.

Компоненты питательной среды образуют либо истинные, либо коллоидные растворы. Они могут также присутствовать в виде отдельной фазы, в виде суспензий, эмульсий.

Истинные растворы образуют минеральные соли, сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты, спирты, некоторые газы (NH3, H2S, частично С02).

Коллоидные растворы образуются липидами, белками, некоторыми неорганическими веществами типа Fe(OH)3.

Взвеси — частицы угля, серы могут распределяться по объему или образовывать придонный слой.

Эмульсии образуются жидкими углеводородами.

Если требуется большое количество газа плохо растворимого в воде (N2, 02, Н2, СН4), целесообразным является метод твердофазного культивирования на твердом сорбенте, когда жидкость лишь смачивает поверхность.

Питательные среды могут быть естественными и иметь неопределенный состав. Это — биогенные вещества (мясной экстракт, кукурузная мука, морские водоросли). Их готовят на водопроводной воде.

Синтетические среды из чистых химических соединений в определенном соотношении готовят на дистиллированной воде или даже на бидистилляте.

Используют также полусинтетические среды.

Компонентный состав сред

Компонентный состав питательной среды зависит от биообъекта.

Автотрофы синтезируют вещества из С02 и Н20 с использованием энергии света (фотоавтотрофы) либо химических реакций (хемоавтотрофы). Поэтому они не требуют для своей жизнедеятельности органических веществ, достаточно минеральных солей. Так, для биотехнологического извлечения металлов из руды путем окисления их с помощью м.о. ее просто обливают водой.

Гетеротрофные м.о. разнообразны. Составы субстратов различаются в зависимости от того, к какому типу м.о. они относятся:

  • • органотрофы — используют органическое вещество (о.в.) как источник энергии;
  • • литогетеротрофы — используют о.в. как источник углерода;
  • • органогетеротрофы — используют о.в. как источник углерода и энергии.

Источниками углерода и энергии для продуцентов биотехнологии являются различные спирты и сахара, а также алканы.

В качестве источников азота служат аммонийные неорганические соли и мочевина.

Широко используются универсальные субстраты неопределенного состава — меласса, ячменное сусло, солод, гидролизаты древесины, соломы, сульфитные щелока (продукт сульфитной варки древесной целлюлозы, содержат лигносуль- фонаты, моносахариды, органические кислоты).

Спрос на мелассу превышает предложение. Поэтому используются другие субстраты. Дешевым и доступным субстратом являются углеводороды нефти. Если их используют для получения пищевого белка или медицинских препаратов, то требуется тщательная очистка от канцерогенных примесей.

Применяются также растительные масла, дрожжевой экстракт, соевая мука.

Большинство бактерий и дрожжевых грибков хорошо утилизируют н-алканы с числом с-атомов от 10 до 20, источниками которых являются нефть и природный газ.

Ограниченность ресурсов нефти и газа привлекает внимание к другим источникам органического углерода. Это — различные виды растительной массы, получаемой в качестве отходов. Применяются отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и бумажной промышленности.

Существует ряд способов переработки растительной массы с получением различных продуктов.

Половину высушенной растительной массы составляет целлюлоза — полисахарид. Гидролиз целлюлозы до сахаров осложняется тем, что она образует комплекс с гемицеллюлозой и лигнином. Они препятствуют доступу реагентов и катализаторов к целлюлозе. Поэтому дополнительно требуется предгидролиз. Предгидролиз заключается в обработке малоконцентрированными растворами кислот (в том числе С02) или щелочей с целью удаления гемицеллюлозы. Для отделения лигнина чаще всего применяют обработку с помощью S02 (делигнифи- кация). При этом образуются сульфитные щелока и твердый остаток — предгидролизат.

Для последующего гидролиза целлюлозы применяют концентрированные кислоты и повышенные температуры и давления. Для интенсификации процесса применяют также радиационно-химическую обработку углекислым газом и ферментативный гидролиз целлюлозы. В твердом остатке — лигнин (если не проведена делигнификация).

Отходами предгидролиза являются лигнин с небольшим количеством целлюлозы (целлолигнин) и гемицеллюлозы. Твердый предгидролизат, содержащий лигнин сам используется как субстрат для м.о., разлагающих клетчатку. Лигнин используется для выращивания съедобных грибов (вешенки), а также в составе смесей с птичьим пометом и специальными м.о. для очистки поверхности воды и грунта от нефти и нефтепродуктов.

После дополнительной переработки используется также и растворимая в условиях предгидролиза гемицеллюлоза. Она является смесью, главным компонентом которой служит кси- лан (полимер из остатков ксилозы, арабинозы и глюкуроновой кислоты). Он перерабатывается ферментативным гидролизом, а полученный гидролизат используется как источник углеводов при культивировании различных биообъектов. Находит самостоятельное применение в медицине и сама ксилоза.

В современных условиях технология переработки древесины продолжает совершенствоваться[1].

Существует тенденция создания биотехнологических цепочек, когда отходы или побочные продукты одного процесса используют в качестве сырья для другого. Так, на отходах производства этанола получают дрожжи, или биомассу одного вида используют как субстрат для другого.

Возрастает значение твердофазного культивирования, которое значительно упрощает и удешевляет технологию.

Разрабатываются газофазные реакторы с использованием в качестве субстратов нерастворимых в виде газов — Н2, СН4, СО.

Процесс культивирования

Так же, как и для химических процессов, биореактор должен обеспечить удобную загрузку субстратов, условия для превращения субстратов, отделение и очистку продукта.

Химико-технологические принципы масштабирования и однородности физико-химических условий соблюдаются и в биотехнологии.

Однако есть и отличия.

Здесь в реакции участвуют живые организмы — клетки и субклеточные структуры, а также выделенные из клеток ферменты. Клетки имеют свой жизненный цикл, их участие в синтезе не может быть сведено к простому изменению концентрации реагирующего химического вещества.

Процессы массопередачи и теплообмена происходят между водной фазой и пузырьками газа или частицами твердого субстрата, между жидкостью и культивируемыми клетками, между слоями жидкости.

Клетки, соединенные в цепочки, нити грибов сильно увеличивают вязкость среды. Жидкость как бы армирована. Для создания перемешивания требуется создать определенное пороговое давление.

Особые требования предъявляются к аэрации — снабжению кислородом. Для этого используют воздух или смесь воздуха с кислородом, реже — чистый кислород. В метаболических процессах выделяется С02, который требуется удалять.

Поэтому реактор снабжается надежными системами газоснабжения и газоотвода — аэраторами, которые должны работать экономично. Поскольку кислород плохо растворим в воде и его запас в жидкости быстро исчерпывается, системы аэрации и перемешивания должны работать слаженно.

Потребность в кислороде зависит от стадии развития культуры. Подачей кислорода можно регулировать скорость процесса.

Для описания процессов происходящих в биореакторе, вводится величина объемного коэффициента массопередачи между газом и жидкостью. Он зависит от характеристик среды культивирования и от конструкции и объема аппарата.

Этот коэффициент увеличивается в случаях:

  • • внесения в среду биообъекта, поглощающего 02,
  • • повышения концентрации клеток (интенсифицированный режим),

• применения иммобилизации клеток и их компонентов на носителях.

Коэффициент массопередачи 02, необходимый для технических расчетов определяется только прямой регистрацией динамики поступления и поглощения кислорода.

Важной характеристикой процесса является теплообмен, так как биопроцессы идут в узком интервале температур. Причины этого следующие:

  • • резкий спад активности ферментов по мере снижения температуры;
  • • необратимая денатурация белков и нуклеиновых кислот при завышенной температуре.

Большинство освоенных процессов протекает при 30—50°С (мезофильная температура). Подогрев применяется редко. Обычно стоит задача удаления избыточной теплоты, выделяемой при жизнедеятельности клеток.

Теплообмен происходит с участием большого количества контактирующих поверхностей, особенно, в аппарате с рубашкой. Система теплообмена должна быть гибкой: на первых этапах роста культуры реактор прогревают, а затем требуется охлаждение.

Для поверхности теплообмена А и межфазной разности температур АТ количество передаваемой теплоты Q определяется как

где U — суммарный коэффициент теплопередачи.

Коррозия стенок снижает коэффициент U. С целью повышения движущей силы теплопередачи АТ целесообразно повысить температуру процесса. Но для этого нужно использовать термофильные м.о. и ферменты.

Серьезной проблемой для аэрируемых процессов является вспенивание или пенообразование. Оно связано с наличием в составе культуральных жидкостей таких ПАВ, у которых неполярные группы выталкиваются в газовую фазу и снижают поверхностное натяжение на межфазной границе.

Пенный слой имеет как положительное, так и отрицательное значение.

В этом слое, как в кислородном коктейле, хорошо растут аэробные м.о. Улучшается массопередача кислорода.

Однако избыточная пена сокращает полезный объем биореактора и создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому аппараты снабжаются системой пено- гашения.

В аппаратах химической технологии не имеет аналога система стерилизации — специфический элемент биореактора.

Принципы асептики биотехнологического производства:

  • • устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента;
  • • поддержание чистоты культуры на всем протяжении процесса;
  • • надежная стерилизация питательных сред, компонентов, титрантов, пеногасителей;
  • • стерилизация подаваемого в реактор воздуха.

В реакторе должно быть также предусмотрена возможность дифференцировать режим культивирования — проводить разные этапы одного и того же процесса в разных условиях по температуре, давлению и пр.

Более подробно типовые приемы конструирования биореакторов будут рассмотрены ниже, после рассмотрения методики подготовки биообъектов и влияния различных факторов на особенности их жизнедеятельности.

  • [1] Саловарова В. П., Козлов Ю. П. Эколого-биотехнологические основыконверсии растительных субстратов : учеб, пособие. — М. : Изд-во РУДН,2001.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>