Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы в биотехнологических производствах
Лекция 2
Принципы организации биотехнологических производств
1. Сырьевая база биотехнологии
2. Подготовительные и вспомогательные стадии биотехнологических производств
3. Собственно биотехнологическая стадия
4. Постферментационные стадии
Сырьевая база биотехнологии
Основным компонентом питательной среды для культивирования микроорганизмов считается тот, который служит источником углерода и энергии. Такие компоненты называют субстратом, а все остальные – вспомогательными веществами.
Классификация сырья
· дорогое, пищевое – мука кукурузная, соевая, пшеничная; крахмал, пищевой сахар, глюкоза, лактоза, растительные масла;
· отходы пищевой промышленности – меласса, зелёная патока, молочная сыворотка, рыбно-костная мука, гидролизаты кукурузных кочерыжек, соломы, подсолнечной лузги. Они более дешёвые;
· специально получаемое сырье – гидролизаты древесины и торфа, парафины нефти, метан, этанол и др.
Источники углеродного питания:
· сахара – глюкоза, сахароза, лактоза;
· полисахараиды – целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал;
· жидкие углеводороды (С5-С13);
· газы – метан, этан, пропан, бутан;
· спирты – метанол и этанол;
· уксусная кислота;
· жиры и масла – подсолнечное, соевое, арахисовое, льняное, рапсовое, касторовое, кокосовое масла.
Источники азотного питания:
Источники неорганического азота – сульфат аммония (чаще всего); нитрат аммония; карбамид; аммиачная вода.
Источники органического азота (натуральные продукты растительного и животного происхождения) – кукурузный экстракт, соевая мука, мука семян хлопка, мука семян льна, сухое обезжиренное молоко, желатин, дрожжевые гидролизаты, мясной и рыбный пептоны.
Источники фосфорного питания – кукурузный экстракт, соевая мука, аммофос (смесь моно-, ди- и триаммонийфосфата).
Побочные продукты производства –отходы пивоварения (пивная дробина и солодовые ростки), пшеничные отруби, молочная сыворотка, свекловичный жом, гидролизаты древесины, сульфитные щелока, отходы спиртового производства (картофельная или зерновая барда), гидролизаты торфа, сок растений, картофельный сок.
Подготовительные и вспомогательные стадии биотехнологических производств
Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.
1) Приготовление среды. Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники углерода. Кроме углерода клетки микроорганизмов в процессе роста испытывают потребность в азоте, фосфоре, макро- и микроэлементах. Все вещества этого рода находятся в питательных средах в виде солей, исключение составляют среды, где азот и фосфор могут усваиваться растущими культурами из органических источников, например, автолизатов или гидролизатов микробного или животного происхождения.
2) Стерилизация среды (для асептических биотехнологических процессов).
Асептика – это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение попадания в среду или на объект посторонних микроорганизмов, так как они:
· потребляют компоненты питательной среды и при этом выделяют метаболиты, тормозящие рост основной культуры;
· влияют на рост и развитие основной культуры;
· затрудняют выделение целевого продукта и снижают его качество.
Методы борьбы с микробами-контаминантами:
Физические методы - стерилизующая фильтрация воздуха и жидкостей, герметизация технологического оборудования и коммуникаций.
Термическая стерилизация:
· насыщенный водяной пар – пустые аппараты и коммуникации;
· нагревание под давлением – питательные среды;
· сухой горячий воздух – для материалов и предметов, которые могут быть испорчены при обработке паром (безводные жиры, масла, порошки, предметы, подверженные коррозии и т.п.).
Химическая стерилизация (формальдегид, оксид этилена, перекись водорода, щелочи, спирты, кислоты, b-пропионолактон) – для элементов оборудования, которые не выдерживают нагревания до 110 - 130 ºС (датчики, фильтры воздуха и т.п.).
Радиационная стерилизация вызывает гибель микроорганизмов за счет воздействия ионизирующего излучения.
3) Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха).
Отводимый из лабораторных и производственных помещений отработанный воздух также должен подвергаться очистке от присутствующих в нем микроорганизмов и контролироваться на чистоту.
Например, на гидролизно-дрожжевом заводе, при обследовании воздуха, выбрасываемого из ферментера, было выявлено от 16∙103 до 316∙103 клеток микроорганизмов на м2, а на заводе по производству белково-витаминных концентратов – (200 - 436)∙103 клеток на 1 м³.
Большая запыленность воздуха белковыми и другими продуктами микробного синтеза отмечается на стадиях сушки, упаковки и погрузки в вагоны. Значительная запыленность воздуха питательными солями и сырьем (опилки, отруби, мука и др.) имеет место в отделениях и цехах приготовления питательных сред.
Пути снижения выбросов микроорганизмов в окружающую среду:
· герметизация ферментеров, флотаторов и оборудования узла сепарации;
· скрубберы Вентури;
· фильтры грубой и тонкой очистки;
· сжигание;
· совершенствование технологии.
Подготовка посевного материала
Посевным материалом (инокулятом) называют чистую культуру микроорганизма, которую получают путем ее последовательного пересева из пробирки в колбу, а затем в аппараты увеличивающегося объема до количества, необходимого для промышленного производства. Сначала чистую культуру размножают в лаборатории, затем в цехе чистых культур и инокуляции, далее направляют на культивирование.
Передачу чистых культур из одного аппарата в другой осуществляют в конце логарифмической фазы роста. Качество полученного посевного материала контролируют путем микроскопирования.
Биообъекты применяются в виде чистых и смешанных культур. Предприятия получают культуры из коллекций в пробирках на агаризованных питательных средах или в ампулах. При длительном хранении чистых культур могут происходить случайные нерегулируемые мутации. Для избежания мутаций следует соблюдать правила хранения и поддержания исходной культуры, периодически проводить пересев культуры и проверку ее однородности по морфологическим, так и по физиологическим признакам.
Подготовка биокатализатора
Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор – либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность.
6) Предварительная обработка сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментативному процессу «осахаривания».
Собственно биотехнологическая стадия
Продукты биотехнологии получают по индивидуальным технологиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами.
Обобщенная типовая схема биотехнологических производств следующая:
Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы в биотехнологических производствах
Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия. На этой стадии с помощью биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) сырье преобразуется в тот или иной целевой продукт.
Биотехнологическая стадия включает в себя следующие процессы:
1. Ферментация– процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.
2. Биотрансформация.
3. Биокатализ– химические превращения вещества, которые протекают с использованием биокатализаторов – ферментов.
4. Биоокисление – потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов в аэробных условиях.
5. Метановое брожение – переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.
6. Биокомпостирование– снижение содержания вредных органических веществ микроорганизмами в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.
7. Биосорбция– сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.
8. Бактериальное выщелачивание.
9. Биодеградация – деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.
Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один – жидкостной. Если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра или биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|