Открытые и замкнутые ферментационные системы.
Биореакторные системы для выращивания микрорганизмов могут быть классифицированы как "замкнутые" и "открытые". Система рассматривается в качестве замкнутой, когда многие компоненты данной системы не могут быть из нее удалены или добавлены. Так, например, в традиционных однократных (т. е. замкнутых) ферментационных системах все питательные компоненты добавляются в начале ферментации и, как результат этого, скорость роста, находящегося в таких условиях организма, в конечном счете будет снижена до нуля вследствие уменьшения количества питательных веществ или накопления токсических продуктов отхода метаболизма. Системы, функционирующие в таких условиях, называются как batch-системы (замкнутые системы). Большинство современных биотехнологических систем функционируют как batch-процессы, при которых однажды оптимизированные условия обеспечивают максимальное накопление целевого (требуемого) продукта, например, приготовление пива, производство антибиотиков и ферментов и т. п. Модификацией процесса с разовой загрузкой является возобновляемая ферментация (feеdbatch – от feеd-насыщающий), при которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата или для активации процесса. Однако в своей принципиальной основе подобные системы остаются замкнутыми, поскольку у них нет постоянного оттока содержимого. В противоположность этому, ферментационная система, рассматривается как открытая, если ее компоненты ( микроорганизмы и питательные субстраты) могут постоянно добавляться и удаляться из биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или в целевой продукт должна быть точно сбалансирована со скоростью35 поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое состояние метаболических процессов в реакторе.
|
|
|
Устройство и основные конструкторские детали ферментеров.
Для обеспечения необходимых условий протекания биотехнологических процессов используются ферментеры или биореакторы.
Биореакторы варьируют от простых сосудов до сложных систем с различным уровнем к Биореакторы бывают:
1) Для нестерильных систем.
Например, ферментация при пивоварении, производство пекарских дрожжей и т. п.
2) Для стерильных процессов.
Производство антибиотиков, аминокислот, полисахаридов и одноклеточного бактериального белка.
омпьютерного оснащения.
Биореакторы должны обеспечивать оптимальные условия роста продуцента или накопления синтезируемого им продукта.
|
|
|
Требования к биореакторам:
Должны обеспечивать благоприятные условия для роста культивируемого микроорганизма.
Исключить попадание посторонних микроорганизмов.
Объем культивирумой смеси должен оставаться постоянным, чтобы не было утечки или испарения содержимого.
Параметры культивирования (температура, рН, уровень аэрации и т.д.) должны постоянно контролироваться.
Культура при выращивании должна хорошо перемешиваться.
Биореакторы могут быть классифицированы по ряду критериев
1) по размеру и целевому назначению:
- лабораторные;
- опытно-промышленные (пилотные);
- промышленные;
2) по режиму работы:
- периодические;
- периодический режим с доливом субстрата;
- полупериодические;
- непрервно-проточные.
3) по условиям культивирования:
- аэробные и анаэробные;
- мезофильные и термофильные;
- для поверхностного и глубинного культивирования;
- аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные.
32. Типы и режимы ферментаций: периодические и непрерывные.
Биотехнологические процессы м. б 2х типов: периодическими и непрерывными. Периодическое культив. вкл. неск-ко этапов: стерилизацию сред и оборудования, загрузку биореактора пит. средой, внесение посевного материала, выращивание культуры, отделение и очистку готового продукта. После окончания последнего этапа производится мойка биореактора и подготовка его к новому циклу. При этом типе культивирования рост клеточной популяции подразделяется на неск-ко фаз: 1) После введения инокулята обычно наблюдают индукционный период (лаг-фаза), в течение кот. не происходит сколько-нибудь заметного увелич. числа клеток или образования к-либо продуктов. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию новых субстратов, активируется биосинтез белка. 2)Фаза экспоненциального роста, в течение кот. быстро накапливаются биомасса и продукты разных реакций. Эта фаза достаточно строго описывается экспоненциальной кривой. 3) В замкнутой системе экспоненциальная фаза роста не может развиваться неограниченно. Она переходит в фазу линейного роста, характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры. 4) Фаза линейного роста может смениться весьма непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста. 5)В некоторых случаях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую и продолжительную стационарную фазу. В этих усл. культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток. Режим хар-ся достаточно высокими скоростями отмирания клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток. 6) Если система полностью истощается по субстрату или накопление ингибирующих рост продуктов является значительным, то скорость прироста биомассы становится равной нулю, происходят существенные физиологические изменения клеток и, как правило, наблюдается фаза отмирания культуры. Биотехнологически ценные продукты синтезируются как в экспоненциальной фазе (нуклеотиды, многие ферменты, витамины – т. н. первичные метаболиты), так и в стационарной фазе роста (антибиотики, пигменты и т. п. - так называемые вторичные метаболиты). Довольно широко в биотехнологии исп-ся периодическое культивирование с подпиткой, при котором, помимо первичного внесения питательного субстрата до засева культуры, в процессе культивирования в аппарат через определенные интервалы добавляют питательные вещества либо порциями, либо непрерывно "по каплям". Существует также отъемно-доливочное культивирование, когда часть содержимого биореактора периодически изымается и добавляется равное количество питательной среды. Такой прием обеспечивает регулярное "омолаживание" культуры и задерживает ее переход в фазу отмирания. Этот прием иногда называется полунепрерывным культивированием. Модификацией периодического культивирования является культивирование с диализом, при котором питательный субстрат постоянно поступает в реактор через специальную мембрану. Диализ ведет к снижению концентрации продуктов жизнедеятельности клеток, неблагоприятно влияющих на их жизнеспособность. Помимо этого, диализ удаляет из культуры часть жидкости, что позволяет получать в конце процесса концентрированную биомассу. В непрерывных процессах культивирования клетки постоянно поддерживаются в экспоненциальной фазе роста. С этой целью в биореактор подается свежая пит. среда и обеспечивается отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Основным принципом непрерывных процессов является точное соблюдение равновесия м/у приростом биомассы вследствие деления клеток и их убылью в рез-те разбавления содержимого свежей средой. Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования. При хемостатном саморегулируемая система возникает в силу следующих причин: если первоначальное поступление свежей питательной среды и вымывание биомассы превышает скорость деления клеток, то в рез-те разбавления культуры снижается концентрация в-в, ограничивающих ростовые процессы и скорость роста культуры повышается; увеличивающаяся популяция начинает активнее "выедать" субстрат, что в свою очередь приводит к торможению роста культуры. Конечным итогом этих процессов является установление равновесия м/у скоростью роста культуры и ее разбавлением. Турбидостатный режим культив. базируется на прямом контроле концентрации биомассы. Наиб. распростр. методом ее определения является измерение светорассеивания с пом. фотоэлементов.
|
|
|
|
|
|
33. Твердофазная ферментация.
Твердофазные процессы. Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она лишь используется для увлажнения твердой поверхности или воздуха (газа). В зависимости от превалирующей фазы процессы и соответствующие им аппараты подразделяются на твердофазные и газофазные. Твердофазные осуществляются, как правило, на основе растительного сырья и используют чаще всего мицелиальные грибы и дрожжи или их комбинации. Различают три типа твердофазных процессов: • Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3–7 см ("тонкий слой"). В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры. • Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое ("высокий слой"). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен. • Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе). Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием. Преимущества по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе: 1) они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации; 2) характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта; 3) низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой; 4) твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод. Однако и здесь существуют свои проблемы. Вследствие отсутствия хорошего перемешивания продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату; при этом возникает локальная недостача питательных веществ, тогда как часть субстрата вообще не используется (не колонизируется) продуцентом; недостаточно эффективный контроль за аэрацией и др. Различают три типа твердофазных процессов:
- поверхностные процессы: в качестве биореакторов используют подносы из алюминия или культивационные камеры, площадью несколько м2; «тонкий слой» субстрата – 3-7 см (например, солома);
- глубинные процессы: биореакторами являются глубокие открытые сосуды; используют «высокий» неперемешиваемый слой субстрата, а также приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвективный газообмен;
- процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата: масса может быть гомогенной, например, полужидкий навоз или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости. Используют биореакторы с низкоскоростными мешалками. Однако перемешивание при обилии твердой фазы травмирует биообъект (нежелательно для мицелиальных грибов). Для мягкого перемешивания используют винтовые мешалки или биореактор в виде вращающегося барабана.
Преимущества твердофазных процессов:
1) требуют меньших затрат на оборудование и эксплуатацию;
2) облегчены отделение и очистка продукта (благодаря характеру субстрата);
3) вероятность заражения культуры продуцента посторонней микрофлорой не высокая (из-за низкого содержания воды в субстрате);
4) сброс в окружающую среду сточных вод минимален.
Недостатки твердофазных процессов:
1) из-за недостаточного перемешивания, рост микроорганизмов происходит неравномерно: отдельные зоны в толще субстрата избыточно населяются клетками и возникает локальная нехватка питательных веществ, хотя значительная часть субстрата остается незатронутой.
Для решения этой проблемы
необходимо
- внесение большего количества посевного материала и распределение его по всему объему субстрата;
- периодическое культивирование с многократным отъемом части субстрата с биомассой и внесение эквивалентного количества перемешиваемого свежего субстрата.
2) трудно контролировать эффективность аэрации различных участков субстрата, температуру и уровень влажности из-за неоднородности условий в толще твердого субстрата.
Для решения этой проблемы разрабатывают малотравматичные режимы механического перемешивания и другие методы усиления массопередачи и теплообмена
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1191; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!