ответы к экзамену биотехнология. 1. Биотехнология как межотраслевая область научнотехнического прогресса и раздел практических знаний 1917 г был введён термин биотехнология
 Скачать 340.74 Kb.
|
|
23. Типы и режимы ферментации: периодические и непрерывные процессы Непрерывное культивирование в одном биореакторе называется одностадийным. Многостадийное выращивание предусматривает последовательное или каскадное расположение биореакторов, позволяющее обеспечивать внедрение принципа дифференцированных режимов в непрерывные биотехнологические процессы, основанные на создании системы биореакторов. При разработке новых биотехиологических процессов сначала прибегают к периодическому культивированию. На непрерывный режим пока еще переведено небольшое число процессов, однако перспективность его не вызывает сомнений, несмотря на более сложные конструкции аппаратов и систем контроля (иными словами, на более солидные капиталовложения). Конечно, и периодическое культивирование еще не исчерпало своих возможностей. Пока что выбор режима (периодическое или непрерывное культивирование) подчиняется (да и будет подчиняться в дальнейшем) соображениям экономической целесообразности. Хотя непрерывные процессы приобрели широкое практическое применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них используются в промышленности. Однако непрерывные процессы довольно широко практикуются в производстве одноклеточного белка; например, продукция ICI Prutin на метаноле и производство микопротеина компанией Rank Hovis McDougall. Несколько подробнее об особенностях вышеуказанных процессов. Периодическое культивирование включает: а) стерилизацию сред и всего оборудования; б) загрузку биореактора питательной средой; в) внесение посевного материала (клеток или спор); г) выращивание культуры (это может совпадать во времени с последующим этапом или предшествовать ему); д) синтез целевого продукта; е) отделение и очистку готового продукта. Все этапы представлены во временном аспекте; после окончания последнего этапа производится мойка биореактора и подготовка его к новому циклу. В непрерывных процессах: загрузка и выгрузка среды-непрерывно. Скорость подачи свежей среды равна скорости удаления объёма ферментационной жидкости. Объем жидкости в аппарате постоянен в течение длительного времени. В непрерывных процессах клетки постоянно поддерживаются в экспоненциальной фазе роста( в геометрической прогрессии идёт процесс размножения клеток, клетки молодые). Преимущества периодического культивирования: · Малая стоимость аппарата и систем управления · возможность нарабатывать в одном реакторе различные продукты · произвольность времени культивирование · меньше вероятность инфицирования и мутирования · удобство при получении малого количества продукта · возможность поддержание условий как в фазе роста биомассы , так и в фазе биосинтеза продукта · удобство при биосинтезе вторичных продуктов Недостатки: · необходимость приготовления посевного материала · велико время ферментации · необходимость частой стерилизации · износ измерительных приборов · производимость по биомассе и продукту ниже чем при непрерывном процессе · трудность поддержания параметров из нестационарного процесса Преимущества непрерывного культивирования: · неограниченное время роста биомассы · возможность поддержания постоянной концентрации биомассы · возможность длительного поддержания роста, лимитированного одним субстратом · состояние среды можно оптимизировать путем и иммунных добавок · удобство определение клеточных констант · большая надежность и воспроизводимость результата, большая производительность · малая продолжительность времени · облегченная автоматизация и механизация · постоянство качества продукции · отсутствие необходимости частой стерилизации · уменьшение контакта персонала с микроорганизмом · автоселекция микроорганизмов Недостатки: · меньшая гибкость в регулировании процесса · большие требования к постоянству качества сырья · трудность дозирования нерастворимых твердых субстратов · большая опасность инфицирования · возможности вырождение культуры из-за длительности культивирования · сложность достижения оптимального выхода · повышенные требования к надежности оборудования · ложность культивирования мицелиальных культур из-за их вязкости и гетерогенности · пристеночные рост может вызвать выливания продукта из аппарата 24. Проблемы аэрирования, пеногашения , асептики и стерильности при различных ферментациях Системы аэрации зачастую бывают очень сложной конструкции, поскольку они должны обеспечить баланс между расходом О2 и его поступлением в нужных количествах, учитывая тот факт, что потребность в кислороде не одинакова на различных стадиях культивирования. Крайне важным является обеспечение должного уровня теплообмена в биореакторах, поскольку жизнедеятельность и метаболическая активность объектов зависит в значительной степени от колебаний температуры. Поддержание температуры в определенном узком диапазоне диктуется: 1) резким снижением активности ферментов по мере падения температуры и 2) необратимой инактивацией (денатурацией) макромолекул (в первую очередь белков) при ее повышении до критических значений. Температурный оптимум у каждого организма лежит в определенных пределах. Большинство биотехнологических процессов осуществляется в мезофильных условиях (30-50 °С). С одной стороны, это имеет преимущество, потому что лишь в редких случаях приходится обеспечивать повышенный подогрев реакторов. Однако, с другой стороны, возникает проблема удаления избыточного тепла, выделяющегося при интенсивном росте культивируемых клеток, поэтому биореактор должен быть оснащен эффективной системой охлаждения. Пенообразование– серьезная проблема при культивировании в биореакторах, связано с необходимостью аэрирования содержимого, в котором постоянно присутствуют ПАВ. Образовавшаяся пена, с одной стороны, способствует росту анаэробных микроорганизмов, а с другой сокращает полезный объем реактора и способствует заражению культуры посторонней микрофлорой. Это заставляет интенсивно разрабатывать эффективные системы пеногашения. Пеногашение- средство борьбы с избыточным пенообразованием. Существуют механические, химические, акустические и другие виды пеногашения. Наиболее часто применяют химические и механические. К химическим средствам относятся ПАВ, которые внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногасителями служат растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное) масла, животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при утилизации микробнымит клетками сами по себе способствуют пенообразованию. Механические пеногасители представляют собой различные устройства сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое. Все эти устройства, конечно же, приводят к дополнительным затратам и удорожают производство. Специфическим элементом биореактора является система, обеспечивающая стерильность процесса (принцип асептики, выдвинут в 60-е годы XIX в. Луи Пастером). Стерилизация осуществляется на разных этапах процесса, как до его начала, так и при осуществлении и после окончания. Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферменторы воздуха или другого газа. Режимы термальных способов стерилизации определяются химическим составом питательных сред. При этом определяющим является состояние компонентов среды после стерилизации; главное сохранность ее питательных качеств. Стерилизация- важная система. Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферменторы воздуха или другого газа. Режимы термальных способов стерилизации определяются химическим составом питательных сред. При этом определяющим является состояние компонентов среды после стерилизации; главное сохранность ее питательных качеств. Виды: 1)термическая, 2)фильтрационная. Автоматическая стерилизация внутр.поверхности (автоклавирование). 3. Химическая (окись этилена, пропилена)- самопроизвольное расположение, нет токсических в-в. 4. Радиационная (УФ-только поверхность,ровная, без теневых участков). 25. 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 (feеd batch - 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 скоростью поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое состояние метаболических процессов в реакторе. Хотя непрерывные процессы приобрели широкое практическое применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них используются в промышленности. Однако непрерывные процессы довольно широко практикуются в производстве одноклеточного белка; например, продукция ICI Prutin на метаноле и производство микопротеина компанией Rank Hovis McDougall. 26. Хемостатные и турбидостатные режимы культивирования продуцентов Культ. по принципу хемостата-автоматическое культивирование,которое определяется скоростью разбавления ,та скорость с которой подаётся субстрат.Скорость разбавления должна соответствовать скорости получения продукта.П ри хемостатном культивировании саморегулированная система возникает из-за:если первоначальное поступление свежей питательной среды и вымывание биомассы превышает скорость деления клеток;увеличивающая популяция начинает активнее выедать субстрат,что приводит к торможению роста культуры.Конечным итогом этих процессов является установление равновессия между скоростью роста культуры и её разбавлением.Биореактор работающий в таком режиме называется хемостатом. Хемостатные биореакторы включают следующие конструктивные элементы: -ферментер, оснащенный устройствами переме-шивания и аэрирования среды, с-мой теплообмена; · устройство подачи питательной среды; · выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости; · систему контроля скорости протока среды, осно-ваную на поддержании в режиме автоматического регулирования постоянного уровня или массы (объема) жидкости в емкостном аппарате. Турбидостатные реакторы отличаются от хемостатных системой контроля скорости протока среды. Наиболее распространен контроль концентрации биомассы в реакторе, основанный на измерении светорассеяния культуральной жидкости на выходе из аппарата с помощью фотоэлемента. Также концентрация клеток может оцениваться по косвенным параметрам: рН, титруемой кислотности, убыли концентрации субстрата, приросту концентрации специфических метаболитов. Хемостатные и турбидостатные биореакторы используют при различных скоростях разбавления среды, роста клеток. Хемостатный режим культиви-рования эффективен при малых скоростях протока, когда концентрация клеток незначительно изменяется даже при относительно больших перепадах концентрации в среде лимитируемого субстрата Турбидостатный режим применяют при высоких скоростях разбавления, когда происходит резкое изменение концентрации клеток в среде в ответ на измене-ние скорости протока жидкости через биореактор. Турбидостатный метод культивирования применяют для селекции быстрорастущих видов, получения штаммов, устойчивых к антибиотикам. При засеве смешанной культуры в турбидостате автоматически отбирается наиболее устойчивый к неблагоприятным факторам, быстрорастущий вид или штамм. Виды систем хемостат: 1.оксистат(уровень кислорода в среде) 2.нутристат(концентрация питательного субстрата) 3.термостат(поддержание температурного режима) 4. pH- стат 27. Основные требования, предъявляемые к биореакторам Основное требование к биореакторам любого типа сводится к обеспечению оптимальных условий роста продуцента или накоплению синтезируемого им продукта. Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать процесс, а именно: 1.использовать подходящий источник энергии, 2.набор питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям организма-продуцента, 3.из ростовой среды должны быть удалены соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, 4.должна быть подобрана соответствующая посевная доза и, наконец, 5.обеспечены все остальные требуемые физико-химические условия. Главная задача - получение максимального количества клеток с одинаковыми свойствами при их выращивании в определенных тщательно контролируемых условиях. Фактически один и тот же биореактор (лишь с небольшими изменениями) может быть использован для производства ферментов, антибиотиков, органических кислот или одноклеточного белка. 1.Конструктивное совершенство и относительная универсальность. 2.Инертность или коррозийная стойкость. 3.Эксплуатационная надёжность. 4.Доступность, эстетичность и лёгкость обслуживания. 28. Системы перемешивания, применяемые в современных ферментах Перемешивание сброженной массы в реакторе повышает эффективность работы биогазовых установок и обеспечивает: •высвобождение образующегося биогаза; •перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий; •предотвращение формирования корки и осадка; •предотвращение появления участков разной температуры внутри реактора; •обеспечение равномерного распределения популяции бактерий; •предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих рабочую площадь реактора. Механическое перемешивание Механическое перемешивание с помощью лопаточных роторов используются чаще всего в горизонтальных стальных реакторах. Горизонтальная ось проходит по всей длине реактора. К ней крепятся лопатки или трубки, загнутые в петли. При повороте оси сырье перемешивается, корка ломается, а осадок устремляется к выходному отверстию. Механические мешалки с ручным приводом наиболее просты в изготовлении и эксплуатации. Они используются в реакторах небольших установок с незначительным выходом биогаза. Конструктивно они представляют собой горизонтально или вертикально установленный вал внутри реактора параллельно центральной оси. На валу закреплены лопасти или другие элементы с винтовой поверхностью, обеспечивающие перемещение массы, обогащенной метановыми бактериями, по направлению от места выгрузки к месту загрузки. Это позволяет увеличить скорость образованию метана и сократить время пребывания сырья в реакторе. Гидравлическое перемешивание С помощью насоса можно полностью перемешивать сырье при одновременной загрузке и выгрузке сырья. Такие насосы часто располагаются в центре реактора для выполнения дополнительных функций. Пневматическое перемешивание Пневматическое перемешивание путем инъекции выделяющегося биогаза обратно в реактор осуществляется с помощью монтажа на дне реактора системы трубопроводов и обеспечивает мягкое перемешивание сырья. Главная проблема таких систем заключается в проникновении сырья в газовую систему. Это можно предотвратить, установив систему клапанов. Перемешивание путем пропускания биогаза через толщу сырья дает хорошие результаты только в том случае, если сбраживаемая масса сильно разжижена и не образует корки на свободной поверхности. В противном случае следует постоянно удалять всплывающие частицы или отделять крупные частицы перед загрузкой в реактор. 29. Принципы масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные и промышленные ферментеры и решаемые с их использованием задачи Технология производственного процесса всегда отрабатывается поэтапно. Принцип масштабирования – поэтапное увеличение объема аппаратов. Сначала его моделируют в лабораторных биореакторах, затем в пилотных и только после этого в промышленных установках. Лабораторные биореакторы (объем – 0,5-100 л) по форме, системам аэрации и перемешивания напоминают промышленные. В них используется механическое перемешивание с барботажем. По типу теплообмена могут быть двух категорий: Лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. При этом установку помещают в водяную баню с постоянной температурой, а стерилизацию проводят в автоклаве; Принцип устройства полностью соответствует промышленным биореакторам. Лабораторные ферментаторы применяют для решения следующих задач: кинетических – скорость роста клеток, утилизация субстратов и образование целевого продукта; массообменных – рассчитывают коэффициент массопередачи, скорость поступления в среду кислорода и других газов, скорость освобождения среды от газообразных продуктов жизнедеятельности; стехиометрических – связь потребленных субстратов и кислорода с получаемыми целевыми и побочными продуктами. Пилотные биореакторы (пионерские, поисковые, указывающие путь) (объем – 100 л - 5 м3) дублируют промышленные установки. В них изучают макрокинетику потоков жидкости, газа и теплоты. Такие установки позволяют решать вопрос о том, пойдет ли процесс в промышленном масштабе. Промышленные биореакторы (объем – 5-1000 м3). В них осуществляется синтез кинетических и стехиометрических характеристик. Причем многие параметры не соответствуют лабораторным и пилотным установкам. Для них важным критерием является масштабирование. Как правило, оптимальные условия в ферментаторах изменяются при каждом десятикратном увеличении объема установки. |