ОСОБЛИВОСТІ БІОТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Біотехнологічний процес — це серія взаємопов’язаних реакцій синтезу і розкладу органічних речовин під дією ферментів, при безпосередній участі живих мікроорганізмів або клітин вищих організмів. Промислові біохімічні процеси пов’язані з ферментацією і тому відрізняються від хімічних рядом основних факторів:
1) складним вмістом реакційної суміші (гетерогенна, багатофазна, багатокомпонентна система);
2) одночасно з біохімічною реакцією змінюється маса мікроорганізмів, а продукти, що утворюються нестабільні;
3) сама біохімічна реакція протікає порівняно повільно і має складний механізм;
4) мікроорганізми синтезують особисті каталізатори - ензими;
5) біохімічні перетворення потребують стерильних умов, проходять, як правило, в невеликих інтервалах t° і Р, і дуже чутливі до зміни цих параметрів і фізико-механічної дії;
6) біохімічний процес супроводжується піноутворенням а також флотацією клітин біомаси при глибинному культивуванні;
7) інтенсифікація біохімічного процесу меншою мірою ніж хімічного залежить від геометричних розмірів і конструктивних особливостей апарату.
БІОТЕХНОЛОГІЧН ПРОЦЕСИ КЛАСИФІКУЮТЬ:
1) за фазовим станом реагентів: гомогенні реакції протікають в рідкій фазі з розчиненими ферментами; гетерогенні — за участю «твердої фази», яку складають мікроорганізми, тверде поживне середовище при поверхневому культивуванні. Якщо в реакції бере участь газова фаза, то гетерогенні процеси поділяють на аеробні (з використанням кисню, повітря) і анаеробні (вуглекислого газу);
|
|
|
2) за механізмом перетворень вихідних біологічних матеріалів і вуглеводів у кінцеві продукти: це реакції відновлення, просте і комплексне окиснення, вживання субстрату, трансформація, гідроліз, полімеризація, складний біосинтез, вирощування клітин та ін.;
3) за типом механізму реакції: прості, одночасні (паралельні), послідовні, поетапні. Складні реакції включають комбінацію різних реакцій;
4) залежно від співвідношення швидкості росту мікроорганізмів, швидкості використання субстрату і швидкості утворення продукту біотехнологічні процеси поділяють на 3 групи;
5) всі біотехнологічні процеси пов’язані з культивуванням мікроорганізмів діляться на процеси періодичного і безперервного росту клітин.
Так, періодичний спосіб застосовується у виробництві: амінокислот, антибіотиків, ферментних препаратів та інших продуктів мікробіологічного синтезу. Неперервний ріст мікроорганізмів — основа одержання кормових дріжджів, біологічної очистки вод і т. д.
Основні показники які характеризують процес:
|
|
|
Основні показники біотехнологічного процесу це вміст біомаси, субстрату, продукту і відсутність зараження побічною мікрофлорою. Контроль біохімічного процесу здійснюється за фізичними, хімічними і фізіологічними показниками.
Фізичні: t°, Р, частота обертання мішалки, піноутворення, швидкість потоку повітря (газу), швидкість потоку поживного середовища, в’язкість.
Хімічні: рН, вміст розчинених кисню і вуглекислого газу, вміст кисню і вуглекислого газу в газі, вміст C, N, P, Mg2+, K+, Ca2+, Na+, Fe2+, SO42- та ін.
Фізіологічний стан продуцента характеризує швидкість росту біомаси, його морфологічний стан (величина і кількість клітин, що діляться), а також ряд біохімічних показників (вміст РНК, ДНК, NAД, NAДН, АТФ, АДФ, АМФ, активність основних ферментів клітини).
Більшість показників визначається періодично, за спеціальною схемою у відібраній пробі, фізичні показники — безперервно за допомогою вмонтованих датчиків, які приєднані до ЕОМ, автоматизовані і можуть працювати по принципу зворотного зв’язку. Для визначення рН і розчиненого кисню застосовують стерильні вмонтовані електроди.
Безперервні біохімічні процеси потребують управління ними, яке можна проводити на основі різних принципів. Розрізняють наступні способи ведення (управління) цих процесів: хемостатичний, турбідостатичний, рН-статичний, оксистатичний.
|
|
|
Хемостатичний — спосіб при якому визначають постійність хімічного складу за компонентом, який лімітує ріст мікроорганізмів. Система стабільна при постійному розбавленні і малих швидкостях потоку лімітуючи компонентів поживного середовища.
Турбідостатичний — спосіб заснований на безпосередньому вимірюванні концентрації в реакторі фізичними методами (спектрофотометрія, нефелометрія). У цьому випадку встановлюється автоматично швидкість розбавлення поживного середовища, яка безпосередньо пов’язана із швидкістю росту мікроорганізмів.
рН-статичний спосіб заснований на регулюванні швидкості потоку рідкої фази за інформацєю про зміну рН середовища (застосовується в однорідних середовищах).
Оксистатичний спосіб базується на регулюванні зміни концентрації розчиненого кисню (зв’язок з швидкістю росту мікроорганізмів не завжди прямолінійний) тому правильний вибір концентрації кисню ускладнений.
4.ОСНОВНІ ТИПИ БІОХІМІЧНИХ РЕАКТОРІВ
У зв’язку із збільшенням масштабів біотехнологічного виробництва з’явилася необхідність в розробці нових, високоефективних біохімічних реакторів з великою потужністю.
|
|
|
Так наприклад максимальний об’єм ферментерів з механічним перемішуванням складає 2000 м3.
Біохімічні виробництва відрізняються не лише характером і умовами проведення технологічного процесу, але і біохімічними, мікробіологічними і фізичними властивостями, як речовин, що переробляються, так і кінцевих продуктів. Тому конструкції біохімічних реакторів складні і дуже різноманітні, що залежить від багатьох факторів.
Біореактор (ферментер) — апарат, у якому біохімічна реакція проводиться з метою одержання певного біохімічного продукту на основі використання життєдіяльності мікроорганізмів в умовах одного біохімічного процесу. Отже, біореактор є основним апаратом технологічної установки і займає основне місце в біохімічному процесі виробництва.
Об’єм виробничих ферментаторів від 10 до 1000 м3 з механічною мішалкою і барботажним пристроєм. Це герметичні циліндри, висотою у 2 — 2,5 рази більшою від їх діаметру. Виготовлені із неіржавіючої сталі.
Кількість типів конструкцій реакторів велика, що пояснюється багатоваріантністю і складністю біохімічних реакцій. Але для всіх біохімічних реакторів існують спільні принципи на основі яких можна знайти зв’язок між конструкцією апарату і основними закономірностями процесу, що протікає в ньому.
Критерії за якими можна класифікувати реакційні апарати це: періодичність або неперервність процесу, його стерильність, гідродинамічний режим, тепловий ефект, кількість кисню необхідна для реакції, а також фізичні властивості, агрегатний стан.
Класифікація біохімічних реакторів.
За принципом організації біохімічного процесу реактори поділяються на три групи:
1) реактори періодичної дії, де всі окремі стадії процесу протікають послідовно в різний час (реакційна камера);
2) реактори безперервної дії — всі стадії (подача реагуючих речовин, біохімічна реакція, виведення кінцевого продукту) здійснюються паралельно, одночасно. Ці реактори високопродуктивні, механізовані, автоматизовані із застосуванням ЕОМ;
3) реактори напівперіодичної дії, один з реагентів поступає неперервно, а інші періодично або всі неперервно лише виведення продуктів періодично або навпаки.
За гідродинамічним режимом (структурою потоків) реактори поділяються на:
1) реактори ідеального (повного) перемішування (малий об’єм з механічною мішалкою);
2) реактори ідеального витіснення (поршневий характер);
3) реактори з проміжним гідродинамічним режимом — найбільш розповсюджені в апаратах великого об’єму. Тут виникають застійні зони, трапляються потоки без змішування. Один з технічних прийомів зменшення цих явищ є секціонування реакційного об’єму, у результаті чого перемішування набуває локального характеру.
За конструкцією біохімічні реактори класифікують:
1) реактори ємкісного типу (реакційна камера) (1);
2) реактори типу колони (3);
3) реактори трубчатого типу (2);
4) реактори плівкого типу (4);
5) реактори мембранного типу (5);
6) реактори з псевдорозрідженим шаром (6).
Конструктивний тип залежить від умов проведення процесу і властивостей речовин, що беруть у ньому участь. Найважливіші з факторів: агрегатний стан вихідних речовин і продуктів реакції, їх біохімічні і мікробіологічні властивості, t°, р, тепловий ефект, швидкість теплообміну, інтенсивність перемішування, неперервність процесу, простота виготовлення і обслуговування апарату.
Агрегатний стан найбільше впливає на принцип руху взаємодіючих фаз і визначає конструктивний тип апарата. Від цього фактору залежить і вибір основних і допоміжних деталей апарата (перемішувач, поверхня теплообміну). Так є:
1) реактори з підводом енергії через газову фазу (а);
2) реактори з підводом енергії через рідку фазу (б);
3) реактори з комбінованим підводом енергії (в).
Ферментатор обладнаний системами: перемішування і аерації, теплообміну, піногасіння, трубопроводами для подачі поживного середовища, води і пару, розчину що регулює рН та ін. Сучасні апарати укомплектовані вимірювальними приладами і регулюючими пристроями приєднаними до ЕОМ.
Інженерний розрахунок системи перемішування в біореакторі (її потужності, форми, швидкості обертання) дуже важливий, тому що від неї залежить рівномірне постачання О2, тепла, поживних речовин клітинам. В’язкість середовища, зумовлена з”єднанням клітин, гіфами грибів або актиноміцетів потребує великої потужності для перемішування середовища, але це може визвати пригнічення росту, пошкодження клітин, зниження ефективності синтезу цільового продукту. Пристрої для перемішування і для рівномірної подачі газу різноманітної конструкції.
Для забезпечення киснем культури мікроорганізмів в умовах аеробного процесу необхідно за 1 хв. продувати 0,5 — 2 об’єми повітря відносно поживного середовища. Для очищення повітря використовують фільтрацію спочатку загальну, потім індивідуальну. Повітря в систему подається під тиском (0,2 МПа) за допомогою компресорів. Фільтри заповнюють гранульованим зернистим (вугілля) і волокнистим (скловата) матеріалом. Зараз використовують спеціальні бактерицидні волокна, пропускають повітря через рідини. Проблема аерації в тому, що потреба біокультури в О2 змінюється залежно від її розвитку. Кисень погано розчинний у воді, швидко втрачається і тому необхідна злагоджена робота систем аерації, перемішування і контролю за цими процесами.
Теплообмін необхідний в біореакторі переважно для видалення надлишку теплоти, яку виділяють мікроорганізми в процесі культивування (рідко задля підігріву). Вузький діапазон температур ферментації обумовлений зниженням активності ферментів при пониженні температури, з одного боку, та інактивацією макромолекул при її підвищенні. Теплообмін може бути безперервний і поетапний. Існує два основних методи охолодження (нагрівання) — прямий і непрямий. Рідше використовується прямий метод, коли температура у біореакторі регулюється температурою газовї, або рідкої фази, які надходять до реактора. При другому способі теплоносій і реагент розділені між собою поверхнею, через яку відбувається теплообмін — це змійовик (а), рубашка (в), кільце, трубка (б). Кожен з них має свої недоліки і переваги.
У біохімічних процесах присутні білкові речовини, які мають властивості ПАР. Це в основному продукти метаболізму мікроорганізмів. Тому процеси супроводжуються інтенсивним піноутворенням, що ускладнює ведення процесу (заповнює реактор, забруднює сторонньою мікрофлорою і т. д.). Використовують різноманітні способи гасіння піни:
Фізичні: акустичний (ультразвук), механічний (удари піни об спеціальні пристрої), тепловий (висока t°), електричний (електричне поле), гідроаеродинамічний (ударна сила потоку рідини або завихрювання піни);
фізико-хімічні: рослинні олії, тваринні жири 2 — 2,5%, вищі жирні кислоти, синтетичні речовини, які не вступають в реакцію (пропінол Б 400, поліметилсилоксан (ПМС);
технологічні — відведення піни з реакційного об’єму за допомогою флотатора, зменшення аерації і перемішування;
комбінований метод — технічно найбільш сучасний, основа його фізико-хімічний метод із застосуванням хімічних ПАР, які розрушують піну або попереджають її утворення те механічні пристрої, розміщені всередині біореактора.
До основних факторів, які суттєво впливають на швидкість біохімічного процесу відносяться: наявність інгібіторів в реакційному середовищі, рН, Р і t°.
Є так звана лімітуюча стадія швидкості біотехнологічного процесу. У більшості випадків швидкість залежить від адсорбції кисню з газової фази в рідину, його дифузії в зону реакції, або обмеженої кількості певного елемента (N, P, K тощо) в поживному середовищі.
Біохімічний процес може проводитись в умовах глибинного і поверхневого культивування мікроорганізмів. У природі розповсюджений поверхневий, але у виробництві він застосовується обмежено. Тут використовують переважно глибинне культивування, яке є більш технологічним способом здійснення біохімічного перетворення речовин. На практиці це пов’язано з проведенням аеробного і анаеробного процесів, що мають різний енергетичний метаболізм мікроорганізмів. Для одержання біомаси анаеробний процес невигідний, так як в клітинну масу переходить лише 10% вуглецевого субстрату. Але він характеризується високим енергетичним виходом, оскільки лише 3% енергії виділяється у вигляді тепла, а решта 97% можуть бути використана, наприклад, у вигляді метану. Тому цей процес перспективний для переробки органічних відходів.
Одним із прикладів проведення анаеробного процесу є бродіння, при якому субстрат окиснюється не повністю. Мікроорганізми використовують менше 1/3 одержаної ними енергії, а решта виділяється з теплом.
Аеробний процес характеризується відносно більшим виходом біомаси і продуктів синтезу (більше 40 — 50% енергії виділяється з теплом). Тому в біохімічних реакторах необхідний добрий теплообмін.
Широко застосовується в біотехнології принцип диференційованих режимів культивування, коли різні етапи одного процесу здійснюються при різних умовах (t0, pH, концентрація складників). Прикладом є розділення у різних біореакторах росту культури і синтезу цільового продукту при змінених умовах. А також – технологічний спосіб стабілізації генно-інженерних мутантів. Вони, як правило, відстають у рості від представників „диких” культур, так як витрачають матеріал на синтез цільового продукту. Щоб попередити їх витіснення диким штамом, плазміду, яка відповідає за надпродукцію ставлять під контроль термолабільного репресора. Генно-інженерний штам вирощують при пониженій температурі, при якій реп ресор пригнічує синтез продукту (а відповідно і витрату матеріалу), що дає можливість рости клітинам. Потім t0 підвищують, репрессор інактивується і починається синтез цільового продукту.
Рис. 1. Реактор-ферментатор: 1-смотрове вікно, 2-повітряник, 3-штуцер для видалення повітряної пробки, 4-перегородка, 5-сорочка, 6-скельця для підсвічування, 7-лінія передачі.
 |
 |
Рис. 2. Реактор для виробництва кормових дріжждів: 1-дифузор, 2-мішалка дискового типу.
 |
Рис. 2а. Реактор з центральним дифузором і механічним перемішуванням:
 |
Рис.3. Реактор – дріжджевирощувальний апарат:
 |
 |
Рис.3а. Реактор одновального типу з самовсмоктуючою мішалкою: 1-теплообмінник, 2-самовсмоктуюча мішалка.
 |
Рис. 4. Реактор багатовального типу: 1-самовсмоктуюча мішалка, 2-циркуляційні контури з теплообмінниками.
Рис.5. Реактор для культивування мікроорганізмів:1-барботер, 2-відбивальні перегородки, 3-мішалка, 4-піногасник.
 |
Рис. 6. Реактор для виробництва амінокислот:
 |
Рис. 6а. Реактор з контактними пристроями:
 |
Рис.7. а) Реактор з флотаційним пристроєм:
б) реактор ежекційного типу з падаючим струменем:
Рис. 8. а) Газліфтний реактор для вирощування дріжджевої біомаси:
б) Газліфтний реактор трубчастого типу для ферментації:
Рис. 9. а) Барботажно-ерліфтний реактор: 1-дифузор, 2-газорозподілювач;
б) Реактор для поверхневого культивування мікроорганізмів на сипучих середовищах:
 |
Рис.10. Реактор для спиртового бродіння: 1-штуцер, 2-кислотостійке покриття, 3-корпус, 4-мішалка, 5-люк.
Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 503; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!