Вопрос. Методы, используемы в биотехнологическом процессе

Методы хранения посевного материала. При промышленном культивировании клеток в биореакторах идет процесс постепенного вытеснения менее приспособленных форм более приспособленными, часто менее продуктивными по отношению к вырабатываемым веществам. Он получил название автоселекции. В связи с этим встает проблема длительного хранения клеток без утраты ценных свойств. Это возможно, если резко затормозить все протекающие в них жизненные процессы. Существуют следующие методы хранения.

1. Лиофильное высушивание (обезвоживание после замораживания при температуре -40~60°С и ниже). Применяется в отношении продуцентов антибиотиков. а) Высушивание на воздухе в стерильной среде (на почве, бумаге, дисках агар-агара и т.д.). б) Сохранение спор (пригоден для спорообразующих бактерий рода Вacilus). в) Криоконсервация - глубокое замораживание клеток с их последующим хранением в жидком азоте
(- 196°С) или в парах азота ( - 155°С).

2. Выделение целевого продукта. Это завершающая стадия биотехнологического процесса. Продукт может накапливаться в клетке или выделятся в культуральную жидкость. Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить, затем целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является отделение биомассы от культуральной жидкости - сепарация.

Виды сепарации:

1. Флотация. Если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости, то жидкость предварительно вспенивают, затем отделяют ее верхний слой с клетками.

2. Фильтрация - задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке.

3. Центрифугирование - осаждение взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы.

Центрифугирование и фильтрация иногда реализуются в комбинации, в фильтрационных центрифугах.

Вторым этапом при получении продукта, накапливающегося в клетках, является разрушение клеток, которое проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами.

Физическое разрушение проводят ультразвуком, с помощью вращающихся лопастей или вибраторов, встряхиванием со стеклянными бусами, продавливанием под высоким давлением через узкое отверстие, раздавливанием замороженной массы, растиранием в струнке, осмотическим шоком, замораживанием - оттаиванием, сжатием с последующим резким снижением давления. Этим способам дезинтеграции клеток присуща определенная неизбирательность: обработка может отрицательно влиять на качество получаемого продукта. Физические методы позволяют целенаправленно выделять какую-либо одну фракцию внут­риклеточного содержимого.

Химическое и химико-ферментативное разрушение клеток избирательно, не всегда пригодно. Его проводят обработкой клеток толуолом или бутанолом при промышленном получении дрожжевого автолизата и ряда ферментов. Эффективный лизис клеток вызывают антибиотики полимиксины, тироцидины. новобиоцин, нистатин и другие, некоторые поверхностно-активные вещества, а также глицин.

Разрушенные клеточные стенки отделяют методами сепарации. В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасывают как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта.

Третий этап - выделение целевого продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных кислот проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции.

1. Осаждение растворенных веществ возможно физическими (нагревание, охлаждение, разбавление или концентрирование раствора) или химическими методами, переводящими отделяемый продукт в малорастворимое состояние.

2. Экстракция извлечение продукта из твердого (твердо- жидкофазная) или жидкого (жидко-жидкофазная) образца. К твердо-жидкофазной экстракции относится обливание образца водой с целью извлечения из него растворимых веществ.

Жидко-жидкофазная экстракция - добавление органических растворителей для извлечения из культуральной жидкости антибиотиков, витаминов, каратиноидов, липидов, некоторых гидрофобных белков. Витамин В12 экстрагируют фенолом и его производными (крезол, другие алкилфенолы, галогениды).

Полностью избежать нагревания, губительного для многих ценных веществ, позволяют методы холодовой экстракции (криоэкстракции). Она как бы нивелирует различие между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии.

3. Адсорбция - частный случай экстракции, при котором экстрагирующим веществом из жидкой или газовой фазы является твердое тело.

Концентрирование, обезвоживание, модификация и стабилизация продукта

Концентрирование продукта проводят методами обратного осмоса, ультрафильтрации, выпаривания.

Если мембрана пропускает воду, задерживая растворенные в ней вещества, речь идет об осмосе.

Ультрафильтрация - отделение веществ с помощью мембранных фильтров.

Наиболее древний метод - выпаривание. Его недостаток состоит в необходимости нагревания, которое проводят при низком давлении. Используют вакуум-выпарные аппараты. Нагревающим агентом чаще всего служит водяной пар, хотя используют также обогрев жидким теплоносителем или электрообогрев. Пар характеризуется большой теплотой конденсации и облегчает регулировку процесса выпаривания.

Обезвоживание продукта - сушка на подносах, на ленточном конвейере с подогревом, подачей газообразного нагревательного агента (воздух, СО2, дымовые или топочные газы и др.) в сушильный аппарат, в вакуум - сушильных шкафах, в барабанных и распылительных сушилках.

Модификация продукта - перестройка полученных соединений животного, растительного или микробного происхождения с целью придания им специфических свойств, необходимых человеку. Химическая модификация необходима в тех случаях, когда биотехнологический процесс дает лишь «заготовку» целевого продукта.

Модификация - необходимый этап в получении ряда ферментов, гормонов, препаратов медицинского назначения. Например, у бычьего инсулина «отстригают» аминокислотные остатки, после чего он становится идентичным человеческому гормону.

Стабилизация продукта направлена на сохранение свойств продукта в период его хранения и использования потребителем (добавление наполнителей, модификация и др.). Включает физико-химические воздействия на продукт Сушка повышает устойчивость продукта к внешним воздействиям. Обезвоживание ферментов вызывает их устойчивость к нагреванию.

К стабилизации продуктов, в том числе кормового микробного белка, ведет добавление наполнителей из грибного мицелия, пшеничных отрубей, кукурузной муки, которые сами обладают питательной ценностью.

Вопрос. Очистка сточных вод

Очистка сточных вод

В процессе получения продуктов микробиологического синтеза потребляется большое количество воды, которая загрязняется вредными микроорганизмами, минеральными и органическими компонентами. Загрязняющие вещества находятся в растворенном и нерастворенном состояниях. С целью предотвращения вредного влияния сточных вод на состояние водоемов в нашей стране действуют «Правила охраны поверхностных вод». Очищенные сточные воды не должны содержать возбудителей заболеваний, а также запахов и привкусов, способных передаться рыбе. В сточных водах ограничивается содержание окисляемых микроорганизмами токсических веществ и взвешенных частиц.

1.1. Промышленные стоки. В производственных процессах получения белковых препаратов аминокислот, липидов и биотоплива промышленные стоки делятся на условно чистые и загрязненные.

К условно чистым относятся воды, прошедшие теплообменные аппараты, в них не происходит изменения состава, а только температуры. Остальные производственные стоки относятся к загрязненным. Загрязненные промышленные стоки характеризуются присутствием органических и неорганических веществ.

Загрязненность промышленных стоков и расход кислорода на процесс бактериального окисления органических веществ характеризуются биологическим потреблением кислорода (БПК), выражаемым в миллиграммах О2 на 1 л анализируемой жидкости: БПК; (при выдерживании пробы в течение пяти суток), БПК2о (при выдерживании пробы в течение 20 суток; БПК2П часто называют полным).

1.2. Способы очистки сточных вод.

Способы очистки сточных вод разделяются на механические, физико-химические, биохимические, термические (тепловые).

Механическую очистку осуществляют в песколовках, отстойниках, центрифугах, флотаторах и фильтрах.

Физико-химические методы (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция и сорбция) применяют для очистки сточных вод от коллоидных и растворенных соединений, количество которых в воде после сооружений механической очистки остается практически неизменным.

В качестве коагулянтов наиболее широко используются сульфат алюминия и хлорид железа.

В настоящее время минеральные коагулянты заменяют высокомолекулярными флокулянтами органического и неорганического происхождения. Сущность флокуляции заключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного флокулянта.

Электрохимические методы очистки обладают рядом существенных преимуществ перед реагентными: не увеличивается солевой состав сточных вод, образуется меньшее количество осадка, упрощается технологическая схема очистки, обеспечивается автоматизация производственных установок, для размеще­ния установок требуются незначительные производственные площади. Недостаток метода - высокие капитальные и эксплуатационные затраты на электродные системы и, образование отложений на них и возникновение взрывоопасных смесей газов. Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонко диспергированных примесей, для удаления истинно растворенных веществ этот метод не используется.

Очистка с помощью сорбентов. В очистке сточных вод чаще используется разновидность сорбции- адсорбция - поглощение вещества из воды на поверхности или в объеме твердых тел (сорбентов). Сорбентами могут быть частицы углей, почвы и остатки растений. Если солесодержащие сточные воды не допускается выпускать в водоем, то их подвергают термическому обезвреживанию. Но термическое обезвреживание осуществляется на установках, работающих под давлением или вакуумом. Получаемый конденсат направляют в системы производственного водоснабжения, а солевые отходы вывозят для захоронения.

Биохимическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод заводов микробиологической промышленности как перед сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. Считается, что микроорганизмы способны окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно синтезированных, которым нет аналогов в природе. Наименее доступными источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода - углеводороды, но они также расщепляются микроорганизмами активного ила. В том числе входящие в состав ила.

Токсичными для микроорганизмов активного ила могут оказаться ионы тяжелых металлов и некоторые органические вещества. В концентрациях ниже ПДК последние могут усваиваться бактериями и служить источником углерода и энергии. Биологическую очистку проводят в аэротенках или в биоокислителях с интенсивной аэрацией среды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: