Питательные среды для ферментационных процессов

Приготовление питательных сред для ферментационных процессов- краеугольный камень, обеспечивающий успех всех последующих этапов. Среды неподходящего состава обусловят низкий уровень выхода целевого продуктаМногие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума. Процессы и соответствующие им аппараты подразделяются натвердофазные и газофазные.

Преимущества твердофазных процессов по сравнению с жидкофазными: требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации; характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта; низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой; твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод.

Типы твердофазных процессов: • Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3–7 см ("тонкий слой"). В качестве "биореакторов" используются большие подносы или культуральные камеры. • Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое ("высокий слой"). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды.

Приспособления для аэробных твердофазных процессов:Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости. Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием.Вследствие отсутствия хорошего перемешивания продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату; при этом возникает локальная недостача питательных веществ, тогда как часть субстрата вообще не используется продуцентом; недостаточно эффективный контроль за аэрацией и др.

24.Природные сырьевые материалы

Источником природного сырья явл.с/х и отрасли лесоводства. Получаемые в этих отраслях мат-лы предс.собой соед-я различной хим. сложности и вкл-ют сахара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из перв-х сырьевых мат-в в процессе произв-ва тех или иных прод-в традиц-ми методами получается огромное число разнооб-х побочных прод-в, кот.в силу высокой пит-ной ценности могут испол-ся в биотехнологических процессах.

Наиболее подходящим и доступным является сырье, используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный тростник. Существенную значимость представляют крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие, как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока.Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного переваривания или гидролиза. Тем не менее в настоящее время с определенным успехом разрабатываются перспективные биотехнологические процессы, основанные на использовании данного полисахарида. Половину высушенной растительной массы как сельскохозяйственного, так и "лесного" происхождения составляет один из самых распростр-х биополимеров – полисахарнд целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода.Целлюлоза –основн.пит-ое сырье для биотехнологических процессов.

Необходимым усл-ем подготовки данного мат-ла к использованию в качестве биотехнологического сырья явл. ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы).

Чистая целлюлоза м.б. легко разрушена путем хим-ого или фермент-го гидролиза до раств-ых сахаров, кот.затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию) м/о с образованием этанола, бутанола, ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. В этом плане разительные успехи достигнуты в США, Швеции, Британии и дело только во времени, чтобы преодолеть вышеперечисленные трудности.

Распр-ным источником углерода и энергии явл.компоненты нефти и газа. Однако и нефть, и газ также истощаются. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья. Большое внимание уделяется различным видам растительной массы: плоды, соки, клубни, травяная масса и упоминавшаяся выше древесина.

25. Отходы производства как потенциальные субстраты для культивирования биолог-х объектов.Использ-ся отходы с/х , деревообрабатывающей и бумажной промыш-ти, а также многих отраслей пищевой промыш-ти. Возможность использов.Перечислен-х сырьевых материалов явл. основой создания безотходных производств.Многие полагают, что в качестве доступного и, по-видимому, относительно дешевого сырья для биотехн. окажутся различ.побочные продукты одних биотехнолог-х процессов для др. Например, на отходах микробиологич.производства этанола можно с успехом культив-ть кормовые дрожжи. Одна из задач биотехнол.- максим.использов. огромных объемов органич-х отходов, образующ-ся в мировом производ-ве. Биотехнологич. утилизация этих отходов, обесп-т удаление источников загрязнения (напр-р сточных вод), а также, обусловит превращение этих отходов в полезные целевые продукты. Продукты отходов играют важ. роль в экономике и в состоянии окруж.среды(побоч. материалы пищевой промыш-тиоказыв. эконом-ки малозначащими и часто выбрасываются в магистральные водные системы, обусловливая мощное загрязнение внеш. среды). Двумя широко распростр-ми видами отходов, кот.нашли сейчас применение в биотехн-х процессах в качестве сырья для ферментации, явл.меласса (черная патока) и молочная сыворотка. Меласса -побочный продукт, появл-ся при произв-ве сахара, широко исп-ся как питат. субстрат для ферментац-х процессов в произв-ве антибиотиков, органич. к-т и дрожжей для хлебопечения; в чистом видеисп-ся в качестве добавки в корма животным. Сыворотка, получ. при произ-ве сыра, м.бытьиспольз-на в кач-ве питательного субстрата для ферментации. Более сложные продукты отхода( солома и жом (отход сахарного производства), также имеющиеся в больших количествах и во многих местах, по мере улучшения процессов расщепления лигноцеллюлозных соединений все больше находят прим. в биотехнолог. производствах.Наибольш. часть продуктов отхода сост-т отбросы животноводства (испражнения, моча), затем с/х отходы, отходы пищевойпромыш-ти и отбросы домаш. хозяйства. Утилизация многих компонен-в отходов, в частности живот.происхож-я, не представляет серьезной проблемы при традиционном ведении с/х.

26. Устройство и основные конструкторские детали ферментеров и биореакторов. В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, или биореакторы.
Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду (высота слоя составляет 80–150 мм), затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.
При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10–15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача — обеспечение высокой интенсивности массо и энергообмена клеток со средой.По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения. Конструктивные различия ферментеров (биореакторов) определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:
• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе;
• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе;
• ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

27.Системы пеногашения, теплообмена, аэрирования и перемешивания, асептики и стерилизация, используемые в ферментерах.

Ферментёр - аппарат для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры. Ф. представляет собой герметичный цилиндрический сосуд – корпус, снабженный барботером для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Внутри Ф. вдоль его корпуса и перпендикулярно к нему закрепляют узкие металлические полосы – отбойники для повышения эффективности перемешивания. Объём Ф., предназначенных для лабораторных исследований, чаще до 30 л, для полузаводских экспериментов – 0,05–5 м3, промышленного использования – 50–100 м3. Лабораторные Ф. могут изготовляться из термостойкого стекла (их стерилизуют в автоклавах), Ф. больших размеров – из нержавеющей стали (они имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры). Ф., как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри Ф. В случае необходимости Ф. дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения.

Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Очень часто потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.

Теплообмен является важной составной частью процессов, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется:- резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры;

- необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня.

Система теплообмена должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне (режим термостатирования) или контролировать ее изменения по заданной программе.

Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки). Пенный слой поверх среды культивирования имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое – «кислородном коктейле» - наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Однако нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой.

Система стерилизации представляет собой специфический элемент. Устранение посторонней микрофлоры до введения в него штамма-продуцента, поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса, надежная стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого воздуха – принцип асептики биотехнологического производства.

В последнее время в биотехнологии стали применять принцип дифференцированных режимов культивирования: разные этапы одного процесса осуществляют при различных условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН среды и др.

28. Типы и режимы ферментаций: периодические и непрерывные. Непрерывная ферментация – процесс, при котором клетки поддерживаются в экспоненциальной стадии роста или при котором клетки в экспоненциальной стадии роста непрерывно продуцируют вторичный продукт.

Периодическая ферментация – ферментационная система, работающая в режиме периодического культивирования.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: