Тезисы лекций по темам учебной дисциплины

1.1 Введение.

Тема 1. Подразделение биотехнологических производств по технологическому признаку. Основные типы аппаратов в биотехнологии. Свойства конечного продукта и требования асептики.

Биотехнология как наука базируется на использовании биотехнологических процессов в технике и промышленном производстве. Эти процессы (от лат. рrocessus – продвижение) – как совокупность последовательных действий специалистов направлены на достижение соответствующих результатов при эксплуатации биообъекта (-ов). Говоря о процессах в биологической технологии, нельзя путать их с процессами в химической технологии. Так, главным компонентом первых является какой-либо биообъект (вирус, бактерия, гриб, растительные или животные клетки, биомолекулы).

Биотехнологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Успехи биологических и инженерных наук позволяют создать высокопроизводительные, основанные на промышленных методах управляемые процессы биотехнологического производства ряда пищевых и кормовых продуктов, медикаментов, органических веществ.

В основе подразделения биотехнологических процессов могут быть положены различные принципы, например, оценка: принадлежности биообъектов к надцарствам живых существ (процессы на основе использования акариот, прокариот, эукариот), функциональной активности биообъекта (биосинтез, биотрансформация), возможности вычленения отдельных этапов из биотехнологических схем производства в виде самостоятельных процессов (подготовка питательных сред и оборудования; стерилизация питательных сред оборудования, воздуха, ферментация (культивирование) биообъекта; выделение, очистка и упаковка готового продукта и т.д.

Биотехнологические процессы условно можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые используются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые – на использовании ферментов, и третьи (биоаналогичные) – на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.).

В каждом из этих процессов имеются свои специфические особенности, благодаря которым выделяют биотехнологический процесс в самостоятельный. С учетом сказанного группируют все специальные биотехнологические процессы на микробиологические, фито- и зообиотехнологические. Другими словами, выделяют микробную биотехнологию, фитобиотехнологию и зообиотехнологию.

Современное биотехнологическое производство представляет собой сложные технологические системы, включающие большое количество аппаратов, где в определенной последовательности осуществляются периодические и непрерывные процессы, направленные на получение продуктов микробиологического синтеза. Системный подход к анализу такого производства – «биотехнологической системы» (БТС) – позволяет установить подчиненность функционирования отдельных составляющих системы, общей целевой задаче, взаимосвязь их между собой, а также целенаправленно использовать данные о количественных характеристиках отдельных составляющих системы для анализа и оптимизации системы в целом.

Структура и особенности биотехнологии могут охватывать отдельные операции или процесс в целом. Состав любой технологической системы: биотехнологический агент, субстрат, технологический режим, аппаратура для осуществления процесса, продукт.

Различают два принципиально различных типа современной лабораторной посуды, различающиеся наличием шлифованных соединений. Не имеющее шлифов изделие, как правило, является «самодостаточным» (лабораторный стакан, колба для кристаллизации вещества или чашка для его нагревания) – и лишь в некоторых случаях имеет стеклянные трубки переменного диаметра («оливки») для подсоединения шлангов (для сборки приборов с «мягким» соединением частей) или вставляется в резиновую пробку.

Важную группу составляют различные устройства для перемешивания реакционных смесей. Это – механические мешалки (электромоторы, снабженные приспособлением для крепления на штативах и регулятором оборотов) и магнитные мешалки. Использование последних весьма удобно, если нет необходимости в перемешивании очень вязких жидкостей, а также больших объемов. При использовании магнитных мешалок в реакционную колбу помещают якорь - постоянный магнит в оболочке из тефлона или полипропилена.

Безусловно необходимыми в современной лаборатории являются роторные испарители - устройства, предназначенные для отгонки и перегонки растворителей из круглодонных одногорлых колб различной емкости. Отгонка растворителя осуществляется при вращении колбы - постоянном перемешивании - за счет чего достигается равномерное кипение и постоянный поток конденсата, улавливаемого эффективным холодильником, также являющимся частью роторного испарителя. Отгонку растворителя на роторном испарителе можно проводить при атмосферном давлении, однако конструкция прибора позволяет это делать под уменьшенным давлением - в результате, не перегревая вещество (используя водяную баню), можно концентрировать растворы в воде, спирте, толуоле и т.п.

Для нагревания веществ и их растворов используют электроплитки с закрытой спиралью или колбонагреватели.

Для определения массы реагентов и продуктов служат лабораторные весыразличной степени точности. В основном используются одночашечные электронные весы с погрешностью определения массы ~ 0.01 г.

Биотехнологические процессы, как правило, проводят в асептических условиях, хотя могут быть исключены для некоторых из них. Например, при культивировании некоторых эукариот (дрожжи) в негерметизированных ферментаторах (нестерильный процесс) происходит заметное снижение рН среды, где доминирующее значение дрожжей не изменяется при попадании контаминирующих бактерий – они не могут составить конкуренцию основному виду.

Асептика (от греч. а – не, нет, sepsis – гниение) – это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение попадания в среду (объект) посторонних микроорганизмов, включая болезнетворные. Каждый из материальных потоков в биотехнологических процессах – потенциальный источник микробов – контаминантов. Комплекс мер, обеспечивающих асептику биотехнологических процессов, включает: механическую, физическую и химическую защиту биообъекта и среды его обитания, а при необходимости и конечный продукт.

1.2. Аппаратное оснащение микробиологических производств.

Тема 2. Процессы в биотехнологии. Взаимосвязь процессов и биообъектов. Аппаратурное оснащение микробиологических производств.

Многие процессы биологической технологии являются общими, например, на стадии ферментации, поэтому можно выделит общие основы биологической технологии. Это особенно показательно на аппаратурном оформлении отдельных стадий биопроизводств и, в частности, на выборе биореакторов, сепарирующего оборудования, сушилок и т.д.

Специальные биотехнологические процессы связаны в большей степени с особенностями биообъектов. Достаточно здесь сравнить культивирование вирусов гриппа на куриных эмбрионах для приготовления вакцин и выращивание пеницилла – продуцента антибиотика бензилпенициллина в биореакторах емкостью до 100 м³ и более; другой пример с гибридомными клетками млекопитающих, продуцирующих моноклональные антитела, и с лейконостоком - продуцентом полисахарида декстрана.

Взаимосвязь процессов и биообъектов характеризуются такими показателями, как уровень структурной организации, способность к размножению (или репродукции), наличие или отсутствие собственного метаболизма при культивировании в подходящих условиях. Что касается характера биообъектов, то под этим следует понимать их структурную организацию. В таком случае биообъекты могут быть представлены молекулами (ферменты, иммуномодуляторы, нуклеозиды, олиго- и полипептиды и т.д.), организованными частицами (вирусы, фаги, вироиды), одноклеточными (бактерии, дрожжи) и многоклеточными особями (нитчатые высшие грибы, растительные каллусы, однослойные культуры клеток млекопитающих), целыми организмами растений и животных.

По условиям проведения процессов выделяют одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатые проводятся, например, при получении 6-АПК из бензилпеницеллина с помощью пенициллинацилазы, или пеницеллинамидазы на колоннах, содержащих иммобилизированный фермент.

Двухступенчатые процессы базируются на использовании клеток, находящихся в разном фазовом состоянии (в трофофазе и идиофазе). Так, например, двухступенчатый процесс возможен при получении полисахарида курдлана – на первой ступени выращивают продуцент (Alcaligenes faecalis var.myxogenes) на питательной среде, поддерживая его в трофофазе; на второй ступени культуру переносят в другой биореактор, где нет питательной среды, но имеется глюкоза, из которой синтезируется курдлан.

Многоступенчатые процессы присущи генетической инженерии и рДНК – биотехнологии.

Процессы биохимической технологии подразделяются по стадиям реализации и технологической схеме производства: подготовка оборудования и питательных сред, их стерилизация, посев биообъекта и ферментация, выделение, очистка, сушка, упаковка. В зависимости от целевого продукта число стадий процесса может быль то больше, то меньше. Для сравнения можно назвать производство кормовых дрожжей и антибиотика стрептомицина. В первом случае целевым продуктом являются дрожжевые клетки, во втором вторичный метаболит, предназначенный для парентерального введения больным людям и животным. При получении антибиотика имеется больше стадий, чем в случае получения дрожжевых клеток. Очевидно, что подготовка оборудования, питательных сред, и все другие этапы регламентированной схемы производства какого – либо целевого продукта различны по многим показателям, если это будут, например, процессы получения экзотоксинов и органических кислот.

Применительно к механизму образования конечных продуктов можно говорить о процессах биосинтеза и биотрансформации. При биосинтезе имеет место конститутивное или адаптивное образование метаболитов, относящихся к числу преметаболитов, первичных или вторичных метаболитов. В процессах биотрансформации, имеет место видоизменение какой – либо молекулы – предшественника конечного продукта или превращение одного продукта в другой.

Подразделение биотехнологических процессов на управляемые и неуправляемые опирается на глубину и масштабность контроля, осуществляемого с применением средств автоматики и компьютеризации. К числу неуправляемых процессов можно отнести спонтанно протекающие компостирование плотных отходов в животноводческих комплексах и фермах. К управляемым относятся все производственные процессы, основанные на использовании микробных, растительных и животных клеток. При этом уровень управления может быть двояким – операторским и автоматическим. В первом случае поддержание заданных режимов осуществляет оператор, во втором – соответствующие контрольно-измерительные приборы, автоматы, компьютеры.

Также биотехнологические процессы еще подразделяют по типу на простые, совместные, последовательные и ступенчатые. Под простыми понимается трансформация питательных веществ в продукты метаболизма без накопления интермедиатов при наличии строго определенной стехиометрии в утилизации субстрата (или клеточном росте) и образовании метаболита. Совместными процессами считаются те из них, в которых имеет место превращения питательных веществ в продукты метаболизма без накопления интермедиатов, но с возможным изменением стехиометрии процессов. Последовательные процессы биохимической технологии характеризуются накоплением интермедиатов в ходе трансформации питательных веществ в целевые продукты. При ступенчатых процессах биологической технологии питательные вещества вначале полностью трансформируются в интермедиат (и эта трансформация протекает избирательно в какой-либо определенной последовательности) и лишь после этого образуется конечный продукт.

Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр.).

Развитие промышленности антибиотиков продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микробов – продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений).

Были предложены различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходные по большинству параметров и, усреднено, их можно подразделит на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов).

Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них. В последние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми волокнами и некоторые другие. При расчете и конструирования биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.

Размеры ферментеров определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах от 1: 2 до 1: 6. Почти универсальными и чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы в свою очередь классифицируются по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания:

• газовой фазы (ФГ),

• жидкой фазы (ФЖ),

• газовой и жидкой фазы (ФЖГ).

Биореакторы. Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, метана, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы.

Принцип действия биореактора.

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

В механическом биореакторе перемешивание осуществляется механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой.

В аэрлифтном биореакторе перемешивание осуществляется за счёт продувки газа фазы через жидкость (барботажное перемешивание), что не всегда обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание и приводит к нежелательному пенообразованию.

В биореакторе газо-вихревого типа перемешивание осуществляется квазистационарным потоком с осевым противотоком, который создаётся аэрирующим газовым вихрем за счёт перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Газо-вихревой биореактор. Ускоренное развитие направления на создание новых лекарственных препаратов с использованием клеток млекопитающих и других чувствительных клеток диктует необходимость создания новых, эффективных аппаратов, обеспечивающих оптимальные условия микробиологического синтеза - биореакторов нового поколения. Назначением биореактора является создание наиболее оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нем клеток и микроорганизмов.

Это обеспечение:

1. хорошего массообмена по газовой фазе - дыхания,

2. питания – подвода питательных веществ,

3. отвода метаболитов

При этом клетки не должны подвергаться механическим, тепловым и другим стрессовым воздействиям.

Тема 3. Микробиотехнология. Принципы культивирования микроорганизмов. Микробиологические процессы. Биосинтез различных продуктов.

В основе биотехнологических производств лежат процессы роста и развития микробных культур. Поэтому биотехнологическое оборудование – это, прежде всего оборудование для получения микробиологических продуктов.

В наибольших объемах выпускается продукция, необходимая для развития сельского хозяйства. Она составляет около 70% от общего объема выпускаемого биотехнологического сырья. Это кормовые добавки и препараты, повышающие продуктивность скота и птицы; бактериальные удобрения; бактериальные, вирусные и другие препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных животных и растений.

Кроме сельского хозяйства, крупными потребителями являются другие отрасли агропромышленного комплекса, медицина, химическая и легкая промышленность. При этом ассортимент продуктов постепенно расширяется. Осваиваются новые товарные формы биопрепаратов с более высоким содержанием активного начала.

Современное производство продуктов микробиологического синтеза представляет собой единую цепь последовательных стадий и операций.

Исходным и основным элементом биотехнологического процесса является продуцент. Основной стадией биотехнологического процесса является стадия культивирование штамма-продуцента, на которой происходит биосинтез целевого продукта – биомассы или метаболитов. На последующих стадиях проводится обработка целевого продукта. Цель этих стадий – получение необходимой товарной формы препарата. На этих стадиях необходимо максимальное сохранение целевого продукта. В микробиологических производствах широко применяется аппаратура, серийно выпускаемая заводами химического машиностроения. Это емкостное оборудование, аппараты с перемешивающими устройствами, теплообменные и выпарные установки, сепараторы, сушилки, экстракторы и т.д.

Рассматривая всестороннее развитие биотехнологии можно выделить следующие основные направления: биотехнология пищевых продуктов, препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования, лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов. Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

Культивирование микроорганизмов с целью накопления биомассы или определенных продуктов метаболизма предполагает: наличие чистой высокопродуктивной культуры; подготовку стандартного посевного материала; определение условий, необходимых для роста микроорганизмов и проявления их биосинтетической активности; выбор условий ферментации, аппаратурного оформления, контроля ферментации, подготовку и стерилизацию питательных сред. Культивирование микроорганизмов может осуществляться поверхностным и глубинным (погруженным способом).

Для роста микроорганизмов и проявления их биосинтетический активности необходимы источники питания – органические и неорганические соединения; стимуляторы роста; оптимальные температура, влажность, степень аэрации, освещение и другие факторы. Источниками питания могут быть природные (естественные) питательные субстраты неопределенного состава и искусственные питательные среды строго определенного состава, содержащие необходимые элементы в усвояемой форме.

В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой:

m =D, (1)

где m - удельная скорость роста клеток, D - коэфициент разбавления (скорость убыли концентрации клеток). Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования.

При хемостатном режиме культивирования в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, один из компонентов которой, часто О₂, поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры. В этом случае реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы автоматически удовлетворяющей равенству (1). Если первоначально скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то наступает разбавление культуры свежей средой. Это ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается. Как только m превысит D, в реакторе начинает концентрироваться биомасса. Увеличивающаяся популяция клеток все активнее «выедает» субстрат, его концентрация падает, что, в свою очередь, ведет к торможению роста культуры. Таким образом, после серии затухающих колебаний скорость роста культуры становится равной скорости ее разбавления.

Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Он включает: 1) устройство для вливания питательной среды; 2) выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости с клетками; З) систему контроля скорости протока.

Один из простейших вариантов хемостата содержит насос, постоянно нагнетающий питательную среду в биореактор, и выпускную трубу, по которой жидкость из биореактора вытекает, как только ее уровень поднимается выше горловины этой трубы. Альтернативный вариант – выпускная труба входит в полость биореактора сверху, и нижний обрез ее горловины соответствует уровню, выше которого жидкость не должна подниматься. Если этот уровень превышен, избыток культуральной среды с клетками отсасывается насосом, подсоединенным к выпускной трубе.

Более точный и в то же время дорогостоящий метод основан на взвешивании биореактора, помещенного на специальную платформу: превышение допустимой массы свидетельствует о подъеме жидкости выше разрешенного уровня и приводит к автоматическому включению системы откачивания жидкости. Использовали также радиоактивный контроль уровня жидкости: изотоп, помещенный на определенной высоте над дном аппарата, испускает радиоактивное излучение, которое в разной степени поглощается водной и воздушной средой. По интенсивности излучения, регистрируемого приемником, судят о высоте подъема жидкости. В последние годы все большее применение находят фотоэлектронные устройства для контроля уровня жидкости в хемостате.

Турбидостатный режим культивирования основан на прямом контроле концентрации биомассы. Наиболее распространено измерение светорассеяния содержимого биореактора с помощью фотоэлемента. Сигнал от фотоэлемента управляет скоростью протока жидкости, в свою очередь определяющего скорость роста культуры. Повышение концентрации клеток и соответственно светорассеяния автоматически приводят к ускорению протока жидкости, разбавляющей культуру, и, наоборот, убыль биомассы компенсируется замедлением протока.

Концентрация клеток может оцениваться также по косвенным критериям (по измерению рН, убыли субстрата или накоплению продуктов жизнедеятельности). По своей конструкции турбидостат отличается от хемостата лишь системой контроля скорости протока.

Хемостаты и турбидостаты эффективно действуют при различных скоростях разбавления культуры. Хемостатный режим успешно применяются при малом протоке, когда концентрация клеток меняется незначительно с изменением его скорости, что облегчает саморегулировку системы. Область функционирования турбидостата – высокие скорости разбавления, при этом происходит быстрое и резкое изменение концентрации биомассы в ответ на смену скорости протока. Это обеспечивает своевременное срабатывание фотоэлемента или другого датчика, управляющего скоростью протока жидкости через турбидостат. С технической точки зрения турбидостат может быть применен лишь для одноклеточных организмов. При длительном культивировании биообъекта в турбидостате возникает серьезная проблема, связанная с прилипанием клеток к фотоэлементу.

При засеве смешанной культуры в турбидостате автоматически отбирается наиболее быстрорастущий вид. Это является преимуществом турбидостатного метода, в определенной степени предохраняющим культуру микроорганизма от заражения посторонней микрофлорой. Такой принцип использован для селекции антибиотикоустойчивых организмов.

Непрерывное культивирование, осуществляемое в одном биореакторе, обозначается как одностадийное. Многостадийное культивирование с последовательным или каскадным расположением реакторов позволяет внедрить принцип дифференцированных режимов в непрерывные биотехнологические процессы. Эти дифференцированные режимы не сменяют друг друга во времени, а одновременно осуществляются в последовательно расположенных аппаратах. Например, в первом из биореакторов создают оптимальные условия для роста культуры, а во втором – для биосинтеза целевого продукта.

В простейшем случае свежая среда подается в первый из расположенных в ряд аппаратов. В более сложных биореакторных системах среду или ее отдельные компоненты вводят и на последующих стадиях процесса, осуществляемых в остальных биореакторах. Эта система, являющаяся аналогом периодического культивирования с подпиткой, может быть дополнена механизмом рециркуляции отдельных порций биомассы, возвращаемых с более «поздних» стадий к более «ранним». Здесь ранний» и «поздний» в отличие от периодического культивирования соответствуют не временным, а пространственно разделенным этапам процесса. Подпитка позволяет значительно повысить конечный выход биомассы.

Тема 4. Значение асептики в биотехнологических процессах. Борьба с микробами-контаминантами в биотехнологических производствах. Обезвреживание отходов биотехнологических производств

Защита биотехнологических процессов от микробов - контаминантов эффективно осуществляется с помощью различных фильтров. В последнее десятилетие широкое распространение приобрела мембранная фильтрация в целях получения стерильных воздуха и различных жидкостей (разновидность холодной стерилизации). Более того, мембраны нашли применение в рДНК-биотехнологии, в дисперсионном и других анализаторах биомолекул. Многие термолабильные вещества стерилизуют такими же способами. Следовательно, мембранная фильтрация может рассматриваться как самостоятельный (лабораторный или промышленный) процесс.

В биологической технологии, независимо от условий проведения процессов (поверхностно и глубинно, в периодическом, полунепрерывном и непрерывном режимах, в виде твердофазных или газофазных процессов, одно-, двух- и полиступенчато), широко используют стерильный воздух, подаваемый: в ферментаторы для аэробных организмов (клеток, клеточных систем); в специальные помещения в виде ламинарных потоков для асептического приготовления лекарственных сред, в боксы и операционные виварии, в распылительные сушилки для высушивания некоторых веществ, в шлюзы между (перед) асептическими блоками. Стерилизующая мембранная фильтрация здесь оказывается наиболее приемлемой.

В случае стерилизации растворов фильтрованием они должны содержаться перед разливом и при последующем разливе в асептических условиях. При этом необходимо помнить и следить за тем, чтобы время между началом приготовления раствора и его стерилизацией фильтрованием должно быть возможно кратким.

Для очистки растворов от бактерий - кантаминантов в США, например, выпускают в продажу, так называемый Criti Cap-капсулы, содержащие двойной слой гидрофильной полисульфоновой микропористой (диаметр пор 0, 2 мкм) мембраны, обеспечивающей задерживание бактерий при высоком потоке жидкости. Качество мембран проверяют обычно биологическим методом, используя для этого виды из рода Pseudomonas и Serratia.

Принятая проверка инактивации вирусов – контаминантов в биопродуктах заключается в их температурной или химической обработке. Однако эти методы не универсальны. К тому же выявление вирусов базируется не только на дорогостоящих, но и мало чувствительных процедурах. Корпорация «Millipore» разработала технологию так называемой наноселективной фильтрации с включением вирусудаляющего модуля (Viresolve/70), снабженного уникальной запатентованной мембраной. Эта технология значительно отличается от технологий с использованием ультрафильтрационных мембран, хотя бы, например, тем, что в модуле не предусматривается применение открытой матриксной поддерживающей структуры, а поры уникальной мембраны исключительно малы, благодаря чему проявляются отличные качества ее при задержке вирусов размерами от 23 нм и выше. За этими пределами остаются тогавирусы (18 нм) и вироиды (15 нм). К тому же однообразный матрикс мембраны обеспечивает эффективный поток жидкости и ее физическую стабильность. Модуль предназначен для фильтрации белковых растворов. Они (модули) выпускаются с мембранами разных размеров, в зависимости от объемов фильтруемых растворов. В промышленном модуле применена мембрана с площадью 0, 92 м² для фильтрации нескольких сотен литров.

Питательная среда перед засевом каким-либо биообъектом должна быть стерильной. В таких случаях прибегают к тепловой стерилизации, заботясь при этом о сохранении стабильности ингредиентов среды. В микробной биотехнологии обычно используют методы периодической и непрерывной стерилизации. Первую из них осуществляют в аппаратах малой емкости непосредственно в ферментаторах глухим или острым паром под давлением в течение 30-40 минут при температуре порядка 134 ^оС после удаления воздуха из аппарата при нагреве до 100^оС. затем среду охлаждают водой через змеевики или рубашку аппарата и засевают тем или иным биообъектом.

Метод непрерывной стерилизации основан на том, что концентрат питательной среды подают насосом через систему конструкций, включающую нагреватель, выдерживатель (собственно стерилизатор) и теплообменник (охладитель в котором охлаждение среды происходит до температуры, оптимальной для культивирования клеток).

В лабораторных условиях стерилизацию питательных сред и некоторых других объектов осуществляют в автоклавах. Стерилизацию проводят паром под давлением, соблюдая необходимые режимы. В отдельных случаях прибегают к сухожаровой стерилизации.

При периодическом культивировании целесообразно создать искусственно такое установившееся состояние, при котором концентрация клеток, удельная скорость роста и окружающая клетки среда не изменялась бы со временем. Такие условия возможны при непрерывном культивировании, когда клетки продуцента размножаются со скоростью, зависящей от притока питательных веществ и некоторых других условий. Часть объема культуральной жидкости постоянно вытекает с той же скоростью, с какой подается среда в аппарат. Метод проточного культивирования может быть организован как процесс полного вытеснения и как процесс полного смешения. Осуществление первого возможно для культивирования анаэробных микроорганизмов в ферментаторе, представляющей собой трубу, в которую с одного конца непрерывно подают питательную среду и посевной материал, а из другого конца отбирают культуральную жидкость. Процесс происходит без перемешивания и аэрации. Когда среда и посевной материал попадают в ферментатор, популяция находится в лаг-фазе, а на выходе из ферментатора культура может находиться в любой фазе в зависимости от скорости подачи среды. В ферментаторе воспроизводится полная кривая размножения, но не во времени, а в пространстве.

В процессе полного смещения размножение культуры происходит в ферментаторе при интенсивном перемешивании и аэрации. Во всем объеме культуральной жидкости условия должны быть одинаковыми. При этом в ферментаторе могут быть созданы условия, соответствующие любой точке кривой размножения культуры, выращенной периодическим способом. Процесс полного смещения может быть организован по типу системы «турбидостат» и «хемостат». В настоящее время непрерывное культивирование применяют для получения белково-витаминных концентратов (БВК), кормовых дрожжей, лимонной кислоты, лизина.

Культивирование макромицетов в специально подобранных условиях характеризуется некоторыми особенностями. Во-первых, в стационарных условиях базидиомицеты формируют плотные пленки на поверхности жидких питательных сред; во-вторых, в глубинных культурах они образуют агломераты.

В производстве антибиотиков, наряду с периодическим культивированием, все чаще начинают использовать методы, занимающие промежуточное положение между периодическим и непрерывным культивированием, то есть полунепрерывный отъемно-доливной метод. Таким способом удается в 2-3 раза увеличить время пребывания продуцента в активной фазе. Недостаток состоит в том, доливы осуществляют питательной средой полного состава. Этого недостатка лишен метод полунепрерывной регулируемой ферментации.

Суть этого метода состоит в том, что в определенное время, начиная с логарифмической фазы размножения, по специально разработанной программе, в культуральную жидкость добавляют отдельные компоненты питательной среды (раствор сахаров, аммония сульфат, жир и т.д.), поддерживая их концентрацию на постоянном благоприятном уровне – вначале для роста биомассы клеток, а затем – для синтеза целевого продукта.

Из всего разнообразия способов проведения процессов биотехнологии наиболее сложным является регулируемые ферментации с соблюдением условий асептики. Реализация таких процессов рассчитана на использование ЭВМ при соответствующем программном обеспечении. Кроме того, для проведения процесса в асептических условиях необходимо введение дополнительных стадий, обеспечивающих стерилизацию питательных сред и подаваемого в ферментаторы воздуха.

Тепловую стерилизацию сред (по способу ее проведения) подразделяют на периодическую и непрерывную. При периодическом способе стерилизации процессы: нагрев, выдержка и охлаждение среды протекают последовательно во времени в одном аппарате. Это может быть ферментатор, посевной аппарат или специальный стерилизатор.

При непрерывном способе стерилизации каждый элементарный процесс – нагрев, выдержка, охлаждение осуществляется в специально предназначенных для этого аппаратах: нагревателе, выдерживателе, теплообменнике, которые составляют систему аппаратов для непрерывной стерилизации – установку непрерывной стерилизации (УНС). Все аппараты УНС выполняют из нержавеющей стали, а наиболее надежной арматурой является сильфонная нержавеющая. Перед началом операции стерилизуют всю систему УНС стерилизуют водяным паром, после чего стерилизуют концентрат питательной среды. Для удаления остатков среды из системы и для разбавления концентрата через УНС пропускают воду. Перед отключением УНС ее вновь стерилизуют.

1.3 Теория моделирования процессов биотехнологии: тепловые процессы и аппараты

Тема 5. Некоторые особенности культивирования биообъектов. Тепловые процессы в ферментаторах. Математическое моделирование и управление биотехнологическими процессами

Основное уравнение теплопередачи

Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя paзность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменного аппарата) Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи dQ = K F ∆ t dτ, которое для установившегося процесса имеет вид Q = K F ∆ tcp, где dQ – количество переданной теплоты; К – коэффициент теплопередачи между средами; F – площадь поверхности теплообмена; ∆ t – разность температур между средами – движущая сила процесса; dτ – продолжительность процесса. Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м² в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1°С. Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле F = Q / K∆ tсмτ. Чтобы воспользоваться уравнением, необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю разность температур и коэффициент теплопередачи между средами. Передача теплоты может осуществляться теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

Теплопроводность

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается. Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью. Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной изотермической поверхности к другой. Наибольшее изменение температуры происходит по нормали к изотермическим поверхностям. Предел отношения изменения температуры ∆ t к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали ∆ l называется температурным градиентом. gradt = lim(∆ t /∆ l) ∆ l→ 0 = dt / dl. Основной закон теплопроводности, установленный Фурье и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры ∆ t / ∆ l, времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока: dQ = -λ (dt/dl)Fdτ, где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м град). Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, λ уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел λ увеличивается с повышением температуры.

Тепловое излучение

Из всей лучистой энергии, которая падает на поверхность тела, часть ее поглощается телом, часть отражается а часть проходит через тело. В общем случае Qa/Q + Qr/Q + Qd/Q = 1. В этом уравнении первый член характеризует поглощательную способность тела, второй – отражательную, третий – пропускательную. Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между лучеиспускательной способностью тела Е, количеством энергии Q, излученной телом в течение 1 ч, и площадью поверхности тела F: E = Q/F. Энергия излучения зависит от длины волн λ и температуры Т. Связь между лучеиспускательной способностью и температурой абсолютно черного тела выражается соотношением Е0 = К0Т4.

Или, для практических расчетов Е0 = С0(Т/100)4, где С0 – коэффициет излучения абсолютно черного тела, С0 = 5, 67 Вт/(м2 К4). Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Закон Стефана-Больцмана применим не только к абсолютно черным телам. Для реальных тел он имеет вид Е = С (Т/100)4, где С – коэффициент излучения серых тел. Величина С всегда меньше величины С0 и может изменяться от 0 до 5, 67 Вт/(м2К4). Отношение С/С0 = ε, которое изменяется в пределах 0…1, называется относительной излучательной способностью, или степенью черноты тела.

Конвективный теплообмен

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем). При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа – в основном конвекцией. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного теплообмена приведена на рисунке. Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа. Скорость естественной конвекции определяется физическими свойствами жидкости, разностью температур между горячими и холодными частицами и объемом, в котором протекает процесс. Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала, в котором движется поток. При вынужденной конвекции теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при естественной. Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона гласит: количество теплоты dQ, преданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности tcт и ядра потока tf (или наоборот) и продолжительности процесса dτ: dQ = α (tcт - tf)Fdτ; dQ = α (tf - tcт)Fdτ; где α – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности в 1 м2 к омывающему ее потоку или от потока к поверхности теплообмена, равной 1 м2, в течение 1 ч при разности температур поверхности теплообмена и ядра потока в 1°С.

Виды тепловых процессов

Нагревание

Нагреванием называется процесс повышения температуры материалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии является нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, топочными газами и электрическим током. Для этих целей применяются теплообменники различных конструкций. Нагревание водой применяется для нагревания и пастеризации продуктов при температуре выше 100 °С. Для нагревания до температур выше 100°С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса: GвCвtв н + GпCпtпн= GвCвtвк+ GпCпtпк + Qп, где Gв и Gп – количество соответственно воды и продукта, кг/ч; св и сп – теплоемкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг/град); tвни tпн – начальные температуры соответственно воды и продукта, °С; tвки tпк – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара (2264…2024 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 0, 1…1, 0 МПа); высоким коэффициентом теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке – порядка 20 000…40 000 кДж/(м2∙ ч∙ град); равномерностью обогрева. При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром. При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося насыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителю передается через разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится из парового пространства теплообменника в виде конденсата. При этом температура конденсата принимается равной температуре насыщенного греющего пара.

Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия. В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока. Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик переменного электрического тока молекулы диэлектрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно применяют частоту тока 1∙ 106…100∙ 106 Гц. Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций. Достоинствами диэлектрического нагревания являются: непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле; равномерный быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры; простота регулирования процесса. В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвекцией. Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяется из теплового баланса: Qэ + Gctн=Gctк + Qп, где Qэ – количество теплоты, выделяющейся в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч; G – количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; с – теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг∙ град.); tн и tк– соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °C; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Qэ = Gc(tк - tн) + Qп. Мощность нагревательных элементов (в кВт) N=Qэ/3600. 2.2. Испарение и охлаждение Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при кипении. Испарение в пищевой технологии используется для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях. Аппараты, применяемые для опреснения воды, называются опреснителями, для повышения концентрации растворов – выпарными аппаратами. Расход теплоты на испарение (кДж) Q=Wr,

где W – количество испаренной жидкости, кг; r – теплота парообразования, Например, для испарения 1 кг воды при атмосферном давлении следует затратить 2264 кДж. Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты. Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25…30 °С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты – холодильные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот и др. В этом разделе рассмотрим охлаждение до обыкновенных температур. Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды. Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15…25 °С либо артезианская температурой 8…12 °С. С целью экономии свежей воды часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную за счет ее испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру, достигающую летом 30 °С Расход воды на охлаждение W (кг/ч) определяется из теплового баланса: Gctн + Wcвtвн = Gctк + Wcвtвк + Qп, откуда W=Gc(tн-tк)-Qп /cв(tк-tн), где G – количество охлаждаемого теплоносителя, кг/ч; с, св – теплоемкости соответственно теплоносителя и воды, кДж/(кг град); tн и tк – соответственно начальная и конечная температуры теплоносителя, °С; tвн и tвк – соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, °С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Охлаждение льдом применяется для охлаждения ряда продуктов, например, мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до 0 °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются экспериментальные данные. Охлаждение воздухом проводится естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха. Искусственное охлаждение воздухом применяется для охлаждения воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но и в значительной степени за счет испарения части жидкости.

Конденсация

Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация происходит в конденсаторах. Процессы конденсации широко применяются в пищевой технологии для ожижения различных веществ. Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом случае имеет место поверхностная конденсация, во втором – конденсация смешением. Количество теплоты, выделяемое при конденсации, определяется по формуле Q = Dr, где D – количество конденсирующегося пара, кг; r – теплота конденсации, кДж/кг. Например, при конденсации 1 кг водяного пара при атмосферном давлении выделяется 2264 кДж. Поверхностная конденсация осуществляется в теплообменниках, называемых поверхностными конденсаторами. Рассмотрим процесс конденсации перегретого пара водой. Тепловой баланс процесса: Di + Wcвtвн= Dcкtк + Wcвtвк + Qп, где D – количество поступающего в конденсатор пара, кг/ч; i – энтальпия пара, кДж/кг; св, ск – теплоемкости соответственно воды и конденсата, кДж / кг град; tв.н, tв.к – соответственно начальная и конечная температуры воды, °С; tк – температура конденсата на выходе из аппарата, °С; Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Отсюда найдем расход охлаждающей воды (кг/ч): W=D(i-cкtк)-Qп/cв(tвк-tвн). Энтальпия поступающего перегретого пара (кДж/кг): i= cп (tп-tнас)+ r + cк tнас, где сп – теплоемкость перегретого пара, кДж/(кг  град); tп – температура поступающего перегретого пара, °С; tнас – температура насыщения (конденсации) пара, °С; r – теплота конденсации пара (теплота испарения жидкости), кДж/кг. Площадь поверхности теплопередачи конденсатора рассчитывается отдельно для трех зон: зоны F1 охлаждения перегретого пара, зоны F2 конденсации и зоны F3 охлаждения конденсата: Fобщ = F1 + F2 + F3. Площадь поверхности каждой зоны определяется по основному уравнению теплопередачи. Конденсация при смешении теплоносителей осуществляется в мокрых и сухих конденсаторах. В мокрых конденсаторах охлаждающую воду, конденсат и неконденсирующиеся газы, например воздух, выводят из нижней части конденсатора с помощью мокровоздушного насоса. В сухих конденсаторах охлаждающая вода вместе с конденсатом выводится из нижней части, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней части конденсатора. Мокрые и сухие конденсаторы делятся на прямоточные и противоточные.

1.4 Основы теории переноса количества теплоты и массы: тепловые процессы в биореакторах

Тема 6. Техническая вооруженность биотехнологических производств. Биотехнологические процессы в связи с массообменом. Биотехнологические процессы в связи с особенностями метаболизма клеток

Принято считать, что диффузные процессы, протекающие в биореакторах, не накладывают заметных ограничений на максимально проявляющуюся функциональную активность клеток и клеточных структур; главное при этом – поддержание массообмена (и прежде всего – кислорода в системе «газ – жидкость» применительно к аэробным организмам) на оптимальном уровне.

При выращивании биообъекта в реакторе образуется сложная система массопереноса О₂, а именно – «газ – жидкость – твердое тело», понимая под твердым телом биообъект. Названная тройная система легко расчленяется на три самостоятельных системы: «газ – жидкость», «жидкость – жидкость», «жидкость – твердое тело».

Перемещение О₂ в этих системах неравномерно по интенсивности и зависит от растворимости газа в жидкой фазе, от мощности барбатажа, размера пузырьков, скорости вращения вала и формы мешалки, химического состава питательной среды, температуры, толщины невозмущаемых слоев жидкости вокруг газового пузырька и клетки, от наличия и химического состава капсул, толщины и особенностей клеточной стенки и клеточной мембраны биообъекта и некоторых других причин.

Следует иметь в виду, что при избытке растворенного кислорода проявляется его токсическое действие на биообъект. Вот почему желателен автоматический контроль за поддержанием оптимальных концентраций О₂ в среде для соответствующих культур. Теперь известны РО-статы (приборы для поддержания необходимого уровня растворимого О₂) обеспечивающие подобный контроль.

Для переноса кислорода из одной фазы в другую необходимо добиться разницы его концентрации в разных фазах с преобладанием в направлении слева направо, то есть от газового пузырька к клетке. Но поскольку растворимость О₂ в воде и водных растворах мала, поскольку необходимо подавать его в биореактор в несколько повышенных количествах, добиваясь указанной разницы в фазовых системах. При этом достигается некая критическая концентрация кислорода в культуральной среде, когда все аэробные клетки насыщаются О₂. Для клеток микроорганизмов показатели таких концентраций приходятся на диапазон 0, 003-0, 05 ммоль/л (примерно 0, 1-10% наибольшей растворимости О₂ в воде) или, применительно к воздуху, от 0, 5 до 50%-го насыщения. Так, для клеток кишечной палочки критическая концентрация растворенного кислорода составляет 0, 0082 ммоль/л при 38 ^оС, для пеницилла – продуцента пенициллина при 24 ^оС – около 0, 022 ммоль/л, для Saccharomyces cerevisiae при 20 ^оС – 0, 0037 ммоль/л.

На скорость потребления кислорода биообъектом влияют:

1 возраст культуры (делящиеся, или размножающиеся клетки потребляют кислорода больше, чем не делящиеся);

2 межклеточная адгезия, когда при выраженной адгезии образуются агломераты, или комочки клеток, и, напротив, при малой или совсем не проявляющейся адгезии клетки находятся в изолированном состоянии друг от друга; в первом случае потребление кислорода уменьшается в сравнении с вторым, когда клетки обладают большей площадью своей поверхности;

3 от быстроты динамических изменений в среде выращивания биообъекта (например, в производстве экзополисахаридов, продуцируемых аэробными микроорганизмами, заметно возрастающая вязкость среды снижает поступление О₂ к клеткам);

4 скорость накопления биомассы клеток – чем больше биомасса, тем скорость поглощения кислорода быстрее снижается, то есть зависимость здесь обратно пропорциональна;

5 качество источников питания, подлежащих окислению. Для сравнения можно назвать такие источники углерода, как глюкоза и предельные углеводороды из нефти. Молекулы глюкозы в питательной среде и в клетках одинаковы, так как степень восстановленности атомов углерода в данных молекулах одинаковы. Поэтому и отношение потребленного кислорода к количеству превращенной глюкозы меньше, чем это имеет место в случае использования углеводородов;

6 пеногасители, добавляемые к вспенивающимся культуральным жидкостям в процессе выращивания некоторых биообъектов. Так, например, натрия лаурилсульфат в концентрации 10 млн^-1 снижает коофициент массопередачи О₂ на 56% (в сравнении с водой);

7 продукты метаболизма, например, секретируемые белки, также снижают массопередачу кислорода.

Действие всех перечисленных факторов проявляется во времени и сказывается не только на показателях массообмена, но и теплообмена – ферментации протекают в растворах неньютоновских псевдопластических жидкостей.

В биотехнологических процессах теплообмен – постоянно учитываемый и контролируемый фактор – либо требуется подача тепла, например, в случаях стерилизации питательных сред или при культивировании анаэробов при 55-56 ^оС (биологическая обработка отходов в бескислородных условиях), либо, напротив, необходим отвод тепла, образующегося в биореакторах, в которых выращивают аэробные клетки. В этих целях пользуются рубашками аппаратов, в которые подается горячая или холодная вода, змеевиками, вмонтированными внутри аппаратов, «выносными» теплообменниками и др.

Важным элементом конструкции ферментатора являются теплообменные устройства. Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание – все эти факторы сказываются на существенном возрастании тепловыделений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата – четыре змеевика.

Под общим коофициентом теплообмена понимают количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную поверхность при разности температур в 1^оС. Поэтому и теплообмен в общем виде можно определить как перераспределение тепловой энергии между взаимодействующими фазами в биореакторе. Теплообмен зависит от ряда факторов:

1 ламинарного или турбулентного движения теплоносителя;

2 толщины и качества материалов стенок биореактора;

3 вязкости среды;

4 скорости потока при полунепрерывном и непрерывном способах культивирования биообъектов;

5 характера охлаждения биореактора.

Познание этих факторов является необходимым для конструирования оптимальных биореакторов и наиболее выводного проведения биотехнологических процессов.

Все системы культивирования должны отвечать принципу гомогенности. Перемешивание обеспечивает необходимую энергию для снижения градиентов концентрации продуктов питания и метаболизма и ликвидирует градиенты местных концентраций (например, составных частей сыворотки или колебания рН). При непрерывном культивировании такое перемешивание является непременным условием, поскольку вся теория такого культивирования зависит от гомогенности культуры, а значит изменение концентраций компонентов или клеток не позволили бы достичь стационарных условий. В аэробных системах основной целью гомогенизации является увеличение поверхности контакта системы газ-жидкость, что способствует лучшему переходу кислорода из воздуха в культуральную жидкость, а также транспорту растворенного кислорода к поверхности микроорганизмов.

Перемешивание - один из наиболее распространенных процессов в биотехнологии. Конструкция мешалки играет наиболее важную роль в работе биореактора с механическим перемешиванием и аэрацией (диспергированием воздуха или другого газа). Мешалки можно условно разделить на две группы – быстроходные и тихоходные. К быстроходным мешалкам относятся пропеллерные, турбинные, лопастные, дисковые лопастные. Быстроходные мешалки с большой и средней циркуляционной производительностью используются в аппаратах с отражательными перегородками (отбойниками). Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости, снижению скорости у стенки аппарата и образованию воронки. К тихоходным мешалкам относятся лопастные, якорные, рамные, ленточные, вибрационные и скребковые, которые используются для перемешивания средневязких (выше 0, 5 Па.с или 500 п) и высоковязких (выше 1 Па.с или 1000 сп). Наиболее широко используемой, простой и одновременно эффективной для процессов глубинного культивирования в биореакторах является турбинная мешалка с шестью прямыми лопастями, расположенными радиально.

Процессы глубинного культивирования микроорганизмов и клеток, особенно в высокообогащенных средах, сопровождаются интенсивным пенообразованием, что может создать серьезные затруднения в проведение процесса и вызвать при выбросе пены нестерильность. Для пенорегулирования во время культивирования и предотвращения выброса пены из биореактора применяются самые различные методы – механические, химические, физические, комбинированные и др.

Механические методы пеногашения. Пеногасящее устройства, имеющие вращающийся вал с рабочим огранном различной конструкции, эксплуатируются на некоторых заводах при производстве кормовых дрожжей и других продуктов микробиологического синтеза. В стерильных производствах (антибиотики, аминокислоты, бакпреператы и др.) эти устройства находятся в стадии внедрения.

Применяются как встроенные в аппарат, так и выносные механические пеногасители. К числу простейших конструкций относится гладкий быстровращающийся ротор. При его использовании затрачивается минимальное количество электроэнергии и вторичное пенообразование сведено до минимума. Известен пеносбавитель, представляющий собой перфорированный диск со смонтированными двумя крыльчатками: верхняя – лопастями вверх, нижняя – лопастями вниз. Турбины диаметром 80 – 700 мм с окружной скоростью 10 – 70 м/с размещают на расстоянии 150 – 1200 мм от поверхности жидкости.

На практике широко применяется устройство, имеющее пакет конических тарелок на полом валу. Пеногаситель устанавливают на самостоятельном валу, который не зависит от вала системы перемешивания. Устройства работают как в лабораторных, так и в пилотных и промышленных аппаратах. Разработано устройство для непрерывного отвода не содержащих пену газообразных продуктов реакции и избыточных газов из биореактора с вращающимся полым телом, состоящим из нескольких параллельных воронкообразных тел. В этой конструкции отсутствует полый вал, что несомненно делает ее более простой и надежной. Известны конструкции пеногасителей с рабочими органами на горизонтальном валу. Пеногасящие устройства целесообразно рассматривать как неотъемлемые части биореакторов и разрабатывать их совместно.

Химические методы пеногашения. Механизм действия химического пеногасителя заключается в том, что он, будучи более поверхностно-активным веществом (ПАВ), чем пенообразователь, вытесняет (или заменяет) последний из поверхностного слоя пузырьков пены. Стенки пузырьков под действием миграции молекул химического пеногасителя истончаются до тех пор, пока не лопнут. При добавлении большого количества ПАВ в пенящуюся среду разрушение пены происходит лавинообразно, при этом нарушается квазистационное состояние процесса. При добавлении очень большого количества ПАВ пеногасящий эффект теряется и эмульсии, наоборот, стабилизируются.

Синтетические пеногасители. К синтетическим химическим средствам пеногашения относятся ПАВ с гидрофильной группой, определяющий характер электролитической диссоциации этих веществ в питательной среде: кремнийорганические полимеры (силоксаны), четырехзамещенные аммониевые основания, алкиламиносульфонаты, сложные эфиры, спирты и др. В последнее время синтетические пеногасители (в частности, кремнийорганические) находят все более широкое применение. В отличие от природных жировых пеногасителей, синтетические кремнийорганические (силоксановые) пеногасители расходуются в десятки раз в меньшем количестве.

1.5 Аппараты и процессы выделения продуктов микробного синтеза.

Тема 7. Аппаратурное оформление процессов выделения и очистки некоторых продуктов микробного синтеза. Основные процессы выделения некоторых продуктов микробного синтеза: адсорбция, перегонка и ректификация, экстракция

Культуральная жидкость, образующаяся в процессе ферментации, представляет собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира, пузырьки воздуха, как правило, мел. В свою очередь водная фаза культуральной жидкости (нативный раствор) включает большое число органических и неорганических веществ, коллоидных фракций белков, сухой остаток культуральной жидкости – до 17% и более; содержание биомассы в культуральной жидкости достигает 8-10%. Концентрация целевого продукта чаще всего не превышает 1, 5%, что составляет не менее 10% сухого остатка.

В зависимости от целевого назначения конечного продукта (для здравоохранения, технических целей, сельского хозяйства и т.д.) реализуют различной степени сложности системы производства, при этом учитывают и место накопления целевого продукта – внутриклеточно и внеклеточно.

Выделение большей части продуктов микробного синтеза из культуральной жидкости начинают при их содержании около 1, 5%. Чтобы иметь возможность выделить вещество, используя осаждение, кристаллизацию и высушивание, необходимо оперировать с растворами, содержащими 15-20% целевого продукта. Вот почему приходится применять разномасштабное оборудование по ходу процесса: вначале необходимы емкости в несколько десятков м³, высокопроизводительное оборудование непрерывного или полунепрерывного действия, а завершают процесс небольшими аппаратами вместимостью порядка нескольких сотен и даже десятков литров с периодической загрузкой и выгрузкой, или лабораторное оборудование.

В зависи