|
|
Области применения достижений биотехнологии.Перспективы развития биотехнологии.Можно с уверенностью утверждать, что биотехнология является наиболее разительным примером Проблемы аэрирования,пеногашения,асептики и стерильности при различных ферментациях Биореакторы .Биотехнологические процессы принципиально отличаются от процессов химического синтеза и могут быть двух типов: периодическими и непрерывными. Специфика биотехнологических процессов состоит в том, что в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает довольно существенное влияние на процессы массопередачи (обмена веществ между различными фазами – перенос кислорода из газообразной фазы в жидкую) и теплообмена (перераспределение тепловой энергии между взаимодействующими фазами). Поэтому одним из важнейших компонентов биореакторов является система перемешивания, обеспечивающая однородность условий в аппарате, оптимальность массопередачи между фазами реактора, между культуральной жидкостью и клетками и т. д. Другим существенным различием между биотехнологическими и химическими процессами является необходимость создания аэробных или анаэробных условий, требуемых для культивирования соответствующего организма. Поэтому в определенных случаях необходимо подавать кислород и удалять образующиеся газообразные продукты иного рода, в первую очередь двуокись углерода (СО2). 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 д(енатурацией) 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 0С). 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. Еще одной серьезной проблемой при культивировании в биореакторах является пенообразование, связанное с необходимостью аэрирования содержимого, в котором постоянно присутствуют поверхностно-активные вещества (ПАВ) продукты распада жиров (мыла) и белки (составные компоненты субстрата например, белки соевой и кукурузной муки и т. п.). Образующийся слой пены опять же, с одной стороны, способствует росту аэробных микроорганизмов, а с другой – сокращает полезный объем реактора и способствует заражению культуры посторонней микрофлорой. Это заставляет интенсивно разрабатывать эффективные системы пеногашения. Специфическим элементом биореактора является система, обеспечивающая стерильность процесса. Стерилизация осуществляется на разных этапах процесса, как до его начала, так и при осуществлении и после окончания. Иными словами, в биотехнологическом производстве важное место отводится принципу асептики, выдвинутому еще в 60-е годы XIX в. Луи Пастером. Выделение целевого продукта:осаждение,экстрагирование,адсорбция,электрохимические метод,ионообменная хроматография,концентрирование,обезвоживание,модификация и стабилизация целевых продуктов биотехнологических процессов. Отделение и очистка продуктов Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или получаемого в результате процессов дезинтеграции гомогената разрушенных клеток осуществляется путем осаждения, экстракции или различных методов адсорбции. Осаждение растворенных веществ осуществляется физическими (нагревание, разведение или концентрирование, охлаждение раствора) или химическими воздействиями, переводящими растворенное вещество в малорастворимое состояние. Экстракция подразделяется на твердо-жидкофазную (при которой продукт из твердой фазы переходит в жидкую) и жидко-жидкофазную (когда обеспечивается перевод продукта из одной жидкой фазы в другую, также жидкую фазу). Криоэкстракция может применяться в сочетании с криоконсервацией клеток. Клеточная биомасса может длительное время сохранять свои свойства в условиях глубокого замораживания, а затем из нее может быть экстрагирован целевой продукт. Адсорбция является достаточно распространенным методом отделения продукта и рассматривается в качестве частного случая экстракции, при котором экстрагирующим агентом служит твердое тело. Механизм ее сводится к связыванию выделяемого из жидкой или газообразной фазы вещества поверхностью твердого тела. Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, пористые глины и т. п. Более современные методы разделения веществ включают хроматографию, электрофорез, изотахофорез, электрофокусировку, которые основаны на принципах экстракции и адсорбции. Разделение веществ путем хроматографии основано на их неодинаковом распределении между двумя несмешивающимися фазами. Различают хроматографию на бумаге, пластинках и колонках. При хроматографии на бумаге или на пластинках одной из несмешивающихся фаз является движущийся растворитель, а другой (неподвижной фазой) служат волокна бумаги или частицы покрывающего пластинку какого-то материала (например, силикагеля). ). При колоночной хроматографии подвижной фазой является протекающий через колонку растворитель, а неподвижную фазу представляет заполняющий колонку адсорбент (чаще всего это гранулированный гель). Колоночная хроматография допускает масштабирование процесса, в результате чего она довольно широко применяется в промышленных условиях и включает несколько разновидностей: • Ионообменная хроматография, колонка наполняется гранулами адсорбента, которые несут заряженные катионные (NH4) или анионные (SO4) группы, способные захватывать ионы противоположного заряда. Данный метод используется для выделения ионизированных веществ из жидкости, а также для очистки нейтральных соединений от примесей ионной природы. Наряду с хроматографией перспективными методами разделения веществ при биотехнологических процессах являются электрофорез и его модификации. В этих методах разделяемая смесь помещается в мощное электрическое поле, обеспечивающее движение ионизированных компонентов смеси. Различие в электрофоретической подвижности позволяет пространственно разделить входящие в ее состав компоненты. Современные варианты электрофореза используют (как и хроматография) пластинки или колонки с образующими гель наполнителями (агароза, полиакриламид, сефароза, оксиапатит и др.). Модификацией метода электрофореза является изоэлектрическая фокусировка или электрофокусировка. В этом методе раствор, насыщающий гель, содержит соединение с кислотно-основными группами. Под влиянием электрического поля кислотно-основные группы буферного соединения меняют степень ионизации, создавая тем самым градиент рН в направлении электрического поля. Электрически заряженные компоненты разделяемой смеси, нанесенной на гель, мигрируют по направлению к электроду противоположного знака. Поскольку эти компоненты передвигаются по градиенту рН, то они постепенно теряют свои заряды и в зоне, где рН соответствует изоэлектрической точке (точке электронейтральности), их движение прекращается. Каждый компонент концентрируется (фокусируется) в определенной области геля. Концентрирование продукта .За отделением продукта следует этап его концентрирования с помощью основных методов – обратного осмоса, ультрафильтрации и выпаривания. При методе обратного осмоса концентрируемый раствор помещается в мешок из полупроницаемой мембраны, снаружи создается осмотическое давление, превышающее осмотическое давление раствора, в результате чего растворитель начинает вытекать через мембрану против градиента концентрации растворенного вещества, обусловливая дальнейшее концентрирование раствора. Обезвоживание продукта (сушка) В биотехнологии применяются различные методы сушки, выбор которых определяется физико-химическими и биологическими свойствами обезвоживаемого продукта, в частности от вязкости раствора или степени сохранности жизнеспособности, если дело имеют с живыми объектами. Перспективным методом является обезвоживание в газообразных нагревающих агентах (пар, воздух, углекислый газ, дымовые газы и т. д.), которые с высокой скоростью подаются в сушильный аппарат снизу, а частицы обезвоживаемого продукта парят в этом газовом потоке. Схема такого сушильного аппарата напоминает газофазный реактор. Преимущество данного способа состоит в возможности регулировать интенсивность массо-тепло-обмена за счет изменения продолжительности пребывания препарата в воздушном потоке, а также возможность организации непрерывного процесса. Недостатком метода является прилипание продукта к стенкам сушильной камеры. Для обезвоживания микробных взвесей применяются так называемые барабанные сушилки, в которых подогреваемые барабаны вращаются в сосудах с микробной взвесью. Соприкасаясь со стенками барабана, взвесь обезвоживается и биомасса присыхает к поверхности барабана. Засохшую биомассу удаляют специальными ножами. Особо лабильные материалы сушат в вакуумных сушильных шкафах при пониженных давлениях и температурах. Довольно широкое распространение в биотехнологических производствах получили распылительные сушильные аппараты, в которых обезвоживающиеся растворы или суспензии превращаются путем пропускания через форсунки (или вращающиеся диски) в аэрозоль, который подается в сушильную камеру с нагретым газом (до примерно 110–150 0С). В таких сушилках выживаемость бактериальных культур достигает лишь 20–30%, что явно не удовлетворяет требуемому качеству препаратов. Модификация продуктов .Различного рода модификации необходимы в тех случаях, когда в результате процесса получается лишь "заготовка" целевого продукта. Так, например, пенициллин модифицируется до полусинтетических препаратов, поступающих для практического использования как коммерческие препараты. В некоторых случаях при биотехнологическом процессе продуцент образует какую-то определенную структуру, к которой уже химическим путем добавляется необходимый компонент. Иногда биологический объект участвует на каком-либо одном этапе химических процессов, обеспечивающих синтез целевого продукта. Модификация является необходимым этапом при получении многих ферментов, гормонов и препаратов медицинского назначения. Соединения животного или растительного, а также микробного происхождения зачастую необходимо изменять таким образом, чтобы придать им требуемые для тех или иных целей качества. Например, у бычьего инсулина удаляются аминокислотные остатки, после чего он становится идентичным человеческому гормону. 6.Биотехнология производства «одноклеточного белка».Продуценты белка.Главной проблемой, стоящей перед человечеством (и, в частности, перед развивающимися странами), является взрывоподобный рост населения. В 1988 г. требовалось накормить 4 млрд "ртов", а в 2000 г. – 6 млрд. Естественно, что традиционное сельское хозяйство не сможет удовлетворить пищевые потребности растущей численности населения, особенно белковым питанием. Уже в настоящее время Международная Организация питания и сельского хозяйства (FAO) предсказывает резкое увеличение пропасти в обеспечении белком между развитыми и развивающимися странами. По меньшей мере 25% мирового населения в настоящее время страдает от голода или недостатка питания и несоразмерно большая часть этого населения живет в развивающихся странах, где засушливый климат и мало плодородные почвы затрудняют ведение продуктивного сельского хозяйства. По данным ряда специалистов, мировой дефицит белка оценивается в 30–35 млн т. Определенные успехи достигнуты в получении белка с помощью микробного синтеза. Это направление получило название производства одоклеточного белка (SСP), поскольку большинство микроорганизмов, используемых для этих целей, растут в виде одноклеточных или мицелиальных (нитевидных) особей, а не как сложные многоклеточные организмы (растения или животные). на протяжении последних двух-трех десятилетий отмечается явный растущий интерес к использованию различных микроорганизмов для производства пищевых продуктов, в частности дня скармливания домашним животным. Полагают, что применение одноклеточного белка, получаемого на дешевых субстратах, для корма животных окажет большое влияние на улучшение питания людей в результате снижения их конкуренции с животными за растительную пищу, богатую белком. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в следующем: микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений и животных; микробные клетки способны накапливать очень большие количества белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе); в микробиологическом производстве вследствие высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность процесса; а сам процесс биосинтеза осуществляется в мягких условиях при температурах 30–45° С, рН 3–6 и давлении около 0,1 МПа. Помимо всего прочего, микробиологический путь получения богатой белком биомассы менее трудоемкий по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белка. Все эти преимущества и определили быстрое развитие технологии производства микробного белка, которое в настоящее время является самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии и открывает возможность промышленной продукции различных кормовых добавок для животноводства и птицеводства с помощью микроорганизмов. Причем получаемые продукты характеризуются высокой кормовой ценностью и в достаточных количествах. Основной целью продукции одноклеточного белка является его содержание в препарате. Однако следует иметь в виду, что помимо белка микроорганизмы содержат также и другие вещества: углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты и различные минеральные соединения, часть из которых может оказывать и неблагоприятное действие на организм, при использовании в пищу человека или животных. Так, вследствие ограниченной способности человека деградировать нуклеиновые кислоты, прежде чем использовать одноклеточный протеин в качестве пищевого продукта, он должен подвергаться специальной обработке. Преимущества микробного белка перед животным (в отношении быстроты получения) демонстрируются следующими цифрами: продукционная способность коровы весом в 250 кг и 250 г дрожжей практически одинакова. В то время как корова будет прибавлять в день по 200 г веса, микробы за этот же период времени способны произвести (теоретически, в идеальных условиях культивирования) до 25 т биомассы. 7.Принципы масштабирования технологических процессов:лабораторные,пилотные и промышленные ферменторы.Проблемы масштабирования ферментационных процессов Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000 л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации. Лабораторные ферменторы по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок. С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи: 1) кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта; 2) некоторые массообменные – расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2 и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2); 3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами. Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов. При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков. Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|