O sarcină importantă în crearea oricărui proces biotehnologic este dezvoltarea și optimizarea tehnologiei și a echipamentelor științifice bazate pe aceasta.
La organizarea producțiilor biotehnologice, experiența tehnologiei chimice dezvoltată în acea perioadă a fost parțial împrumutată. Cu toate acestea, procesele biotehnologice au diferențe semnificative față de cele chimice, deoarece biotehnologia folosește o organizație mai complexă de materie - biologică. Fiecare obiect biologic (celulă, enzimă etc.) este un sistem autonom autoreglabil. Natura proceselor biologice este complexă și este departe de a fi clară. Pentru populațiile microbiene, de exemplu, există o eterogenitate semnificativă într-o serie de caracteristici - vârsta, activitatea fiziologică, rezistența la factorii de mediu adversi.
Ele sunt, de asemenea, susceptibile la mutații aleatorii, a căror frecvență este de 10-4-10-8. Heterogenitatea poate fi cauzată și de prezența interfețelor de fază și a neomogenității mediului.
Baza diviziunii proceselor biotehnologice se pot baza pe diferite principii, de exemplu, evaluarea obiectelor aparținând ființelor superkingdom vii, activitatea funcțională a bio-obiect, posibilitatea de a izola fazele individuale ale schemelor de producție biotehnologice ca procese separate: separarea, purificarea și ambalarea produsului final, etc. (Tabelul 2.1).
Tabelul 2.1. Sistematizarea proceselor biotehnologice
Schemele de clasificare de acest fel sunt justificate și pot fi utilizate ca egale.
Procesele biotehnologice pot fi împărțite condițional în biologic, biochimic și bioanalogic. Primele includ pe cele care se bazează pe akariot utilizare, procariotele și eucariotele, al doilea - privind utilizarea enzimelor și altele - prin sinteză sau hemisinteza substanțe chimice similare funcțional sau primare echivalente (de preparare a aminoacizilor, etc.) sau metaboliții secundari ai organismelor vii ( derivatizare de penicilină și cefalosporină, tetraciclină, etc. nucleobaze.).
În general, orice proces biotehnologic include 3 etape principale: pre-fermentare, fermentare și post-fermentare. Schema de bază pentru realizarea proceselor biotehnologice în formă generală poate fi reprezentată de o schemă în care se face o încercare de a reflecta toate variantele proceselor de fermentare (figura 2.1).
Fig. 2.1. Schema generalizată a proceselor din biotehnologie
Stadiul pre-enzimatic
În acest stadiu, se stochează și se prepară cultura producătorului (inocul), se pregătesc și se primesc substraturi nutritive și medii, echipamente de fermentare, apă tehnologică și reciclată și aer.
Componentele medii de cultură sunt selectate pe baza calculului de echilibrare a masei asociate cu transformarea unei surse de energie pentru biomasa celulară și / sau metabolitul său cu alocație consumată (eliberată) de energie. De obicei, compoziția calitativă și cantitativă a mediilor nutritive este indicată în documentația de reglementare.
Întreținerea și pregătirea culturii pure este un pas foarte important punct predfermentatsionnoy pentru a produce produsele dorite: cel mai adesea este biomasa microorganismelor - producători. Acestea sunt bacterii și fungi mai mici, dar uneori celulele eucariotelor superioare (insecte, mamifere, plante) pot acționa ca producători.
Producătorul, caracteristicile și proprietățile sale fiziologice și biochimice determină eficiența întregului proces biotehnologic. În ramura culturii pure, tulpinile de producție sunt stocate și asigură reactivarea lor și producția producătorului în cantitățile necesare pentru începerea procesului.
Tulpina industrială ar trebui să satisfacă în mod ideal următoarele cerințe de bază:
1) stabilitatea trăsăturilor structurale și morfologice și a activității fiziologice și a exploatării în producție;
2) creșterea ratei de creștere și biosintezei produsului / produselor țintă;
3) o gamă suficient de largă de rezistență la influența factorilor externi nefavorabili (fluctuații de temperatură, pH, amestecare, vâscozitatea mediului);
4) cerințe moderate pentru un număr limitat de surse de alimentare; decât un set mai larg de surse de carbon, azot și alte elemente pot folosi o tulpină de producție, cu atât este mai ușor să se cultive și cu un beneficiu mai mare.
Atunci când în creștere a dozei de inocul cultivată utilizat principiul scalarea, t. E. Efectuat secvențial producătoare de biomasă capacitate în flacoane, sticle, apoi într-o serie de fermentatoare succesive. Fiecare etapă ulterioară a acestui proces diferă în volum față de cea precedentă, de obicei cu un ordin de mărime. Producătorul rezultat pe linia de semințe sterile este trimis în continuare către aparatul în care este realizată etapa de fermentare.
Prepararea mediilor nutritive se efectuează în reactoare speciale echipate cu agitatoare. În funcție de solubilitatea și compatibilitatea componentelor media, se pot utiliza reactoare individuale. Tehnologia de preparare a mediilor este considerabil complicată dacă acestea conțin componente insolubile. Diferite substraturi sunt utilizate în diferite procese biotehnologice, astfel încât procesul de preparare a acestora variază.
Dozarea componentelor nutritive este selectată și efectuată individual la fiecare producție în conformitate cu reglementările tehnologice ale procesului specific. Ca echipament de dozare, dispozitivele de greutate și volum utilizate în industria alimentară și chimică sunt utilizate. Transportul substanțelor se realizează prin pompe, benzi transportoare și șuruburi. Componentele vrac sunt alimentate fermentatoarelor utilizând pompe de vid.
Adesea se folosește principiul preamestecului, adică sărurile sunt pre-dizolvate și apoi transportate prin conducte, dozându-le rata de alimentare în volum.
Datorită diversității excepționale a proceselor biotehnologice și a mijloacelor de informare în masă, a metodelor și a echipamentelor folosite pentru punerea lor în aplicare, luarea în considerare a acestor elemente va fi în continuare legată de producția biotehnologică specifică.
fermentație
Stadiul fermentării este etapa principală a procesului biotehnologic, deoarece în cursul său producătorul interacționează cu substratul și formarea produselor țintă. Această etapă se realizează într-un reactor biochimic (fermentator) și pot fi organizate în diferite moduri în funcție de caracteristicile și cerințele producătorului utilizat pentru tipul și calitatea produsului final.
Fermentarea poate avea loc în condiții strict aseptice sau fără respectarea regulilor de sterilitate (așa-numita fermentație "neprotejată"); pe mediu lichid și solid, anaerob și aerob. Fermentația aerobă poate, la rândul său, să apară fie superficial, fie adânc (pe întregul mediu nutritiv). Cultivarea obiectelor biologice poate fi realizată într-un regim periodic și continuu, semi-continuu, cu alimentare substrat.
In timpul seriei de fermentație crescute cultură trece printr-o serie de etape succesive: (. Figura 2.2) o fază de latență, o creștere exponențială, lentă, staționare și moarte. Modificări semnificative apar în starea fiziologică a bioobiectului, precum și într-un număr de parametri de mediu.
Fig. 2.2. Curba de creștere a microorganismelor în timpul fermentării periodice: 1 - faza de întârziere; 2 faze de creștere exponențială; 3 faze de creștere liniară; 4-faza de întârziere a creșterii; 5 - faza staționară; 6 - faza de deces
Produsele dorite sunt formate în exponențială (metaboliții primari - enzime, aminoacizi, vitamine, adică substanțe care sunt necesare pentru creșterea culturii celulare ..) și (metaboliți secundari staționare - antibiotice, alcaloizi, hormoni, toxine - substanțe moleculară mică nu este necesară pentru creșterea culturii dar necesar pentru populația funcțională a deseorii matură, protectoare) faze, cu toate acestea, în funcție de scopul procesului biotehnologic în procesele industriale moderne aplică principiul diferențierii moduri de cultivare. Ca rezultat, se creează condiții pentru producția maximă a unui anumit produs țintă.
bioobjects de fermentație continuă efectuate în condiții de echilibru, atunci când populația microbiană și produsele sale sunt cele mai omogene, adică. E. În faza staționară. Utilizarea proceselor de fermentare continuă creează condiții pentru o reglare eficientă și gestionarea proceselor biosintetice. Sistemele de fermentare continuă pot fi organizate pe principiul deplasării complete sau al amestecării complete.
Primul exemplu - așa-numita cultură tubulară: Procesul de fermentație se realizează într-o țeavă lungă, care la un capăt este alimentat continuu mediu nutritiv și un inocul, iar pe de altă parte - cu aceeași viteză rezultă fluid de cultură și produsele dorite. Acest sistem de fermentare care curge este eterogen și este implementat, de regulă, fără amestecare.
Cu fermentarea continuă în fermentoarele pe scară largă (metoda cu flux omogen), aceleași condiții sunt create în întreaga masă a aparatului de fermentație. Utilizarea unor astfel de sisteme de fermentare face posibilă gestionarea eficientă a etapelor individuale, precum și a întregului proces biotehnologic și stabilizarea producătorului în aproape orice condiție cerută de experimentator sau biotehnolog.
Asigurarea procesului de fermentație din punctul de vedere al implementării ingineriei reduce la un debit măsurată a unui fluxuri fermentatorului (inoculări, amestecuri de aer sau de gaz nutrienți nutrienți, despumanți) și îndepărtarea căldurii din acesta, aerul evacuat, lichidul de cultură, precum și măsurarea și stabilizarea principalilor parametri de proces la nivelul necesar pentru dezvoltarea optimă a producătorului și formarea produsului dorit.
În timpul complexului de fermentație se formează amestecuri care conțin celule, metaboliți extracelulari, concentrații reziduale ale substratului inițial. În acest caz, produsele țintă, de regulă, se găsesc în acest amestec în concentrații mici, iar multe dintre ele sunt ușor distruse. Toate acestea impun restricții asupra metodelor de izolare și uscare a preparatelor biologice.
LV Timoshchenko, M.V. Chubik
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: