Сырьевые ресурсы биотехнологии, аппаратура и продукты 1 Лектор: доцент кафедры БИОХ ТИМОЩЕНКО Л. В.
2. Субстраты и среды В состав сред для биотехнологических процессов входят: Источники углерода и энергии • Углеводы: чистые и углеводсодержащее сырье • Спирты; • Органические кислоты; • Углеводороды Ростовые факторы Минеральные элементы • Макроэлементы: (N, P, Ca, K, Na и др. ) • Микроэлементы: (Mo, V, W, Cs и др. ) • Биохимические (аминокислоты, витамины и др. ; кукурузный или дрожжевой экстракт; картофельный сок; экстракт проростков ячменя и т. д. ) • Биофизические температура культивирования(~37 о. С); интенсивность перемешивания, обеспечивающая необходимый массообмен в культуре 2
Питательный субстрат, или питательная среда, является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые и газообразные компоненты. При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья. Стоимость основного биотехнологического сырья Сырье Содержание углерода, % от содержания в глюкозе Стоимость 1 т глюкозного эквивалента, $ Кукурузный крахмал 100 64 - 91 Сахароза-сырец 105 629 Меласса 50 133 Уксусная кислота 100 140 Метан 180 105 3
Важнейшие группы субстратов (технических источников углерода и минеральных веществ), используемых в биотехнологических процессах Чистые источники углерода и азота Сахара Спирты Органические кислоты Парафины нефти Природный газ водород Технические источники углерода и азота Меласса, Сок сахарного тростника, Гидролизаты растительных полимеров (патока, крахмал) Барда (продукт переработки спирта) Полупродукты предшественники биотрансформации (соки растений) Отходы с/х и лесной промышленности (целлюлоза) Отходы промышленности, в том числе переработки фруктов и овощей Бытовые отходы, сточные воды Молочная сыворотка Картофель, зерно Зеленая биомасса растений 4
Традиционные источники углерода Субстрат Содержание основного вещества Характеристика Кристаллическая глюкоза 99, 5 % Содержит до 9 % воды, до 0, 07 % зольных веществ (ЗВ), в том числе железа не более 0, 004 % Техническая сахароза 99, 75 % Влажность до 0, 15 %, ЗВ не более 0, 03 % Техническая лактоза 92 % Влажность до 3 %, ЗВ не более 2 % и 1 % молочной кислоты Гидрол РВ 70 % в пересчете на СВ Сиропообразная жидкость, РВ представлены глюкозой, ЗВ до 7 %, р. Н 4, 0 Крахмал СВ не менее 80 % ЗВ 1, 2 % в пересчете на СВ Уксусная кислота Конц. не менее Содержит формальдегид и 60 % до 1, 0 % муравьиной кислоты Узкая фракция жидкого н-Алканов парафина 87 -93 % Содержит до 0, 5 % ароматических углеводородов и до 0, 5 % серы 5
Побочные продукты, используемые в биотехнологической промышленности в качестве основного сырья Продукт Использование Сульфитный щелок Производство кормовых дрожжей Картофельная барда То же Зерновая барда Производство дрожжей, антибиотиков, этанола Гидрол Выращивание дрожжей, бактерий, микромицетов Солодовое сусло Получение дрожжей, этанола, лактамов Молочная сыворотка Выращивание кормовых дрожжей Депротеинизированный сок растений Производство хлебопекарных дрожжей, антибиотиков 6
Побочные продукты, используемые в биотехнологической промышленности в качестве основного сырья Продукт Использование Депротеинизированный картофельный сок Получение кормовых дрожжей Гидролизат древесных отходов То же Гидролизат торфа (упаренный) Производство ферментов 7 Пшеничные отруби То же
Комплексные обогатители сред Микроорганизмы лучше растут в присутствии витаминов, аминокислот, цитокининов и других биологически активных веществ. С наступлением эры антибиотиков и в связи с широким применением микроорганизмов в промышленности остро встал вопрос об экономически оправданных, сбалансированных по составу питательных средах. Эффективной добавкой оказался кукурузный экстракт благодаря наличию в нем витаминов, аминокислот и минеральных элементов в легко ассимилируемых формах. Кроме кукурузного экстракта в рецептуры сред промышленного микробного синтеза включают дрожжевой автолизат, дрожжевой экстракт, гидролизат дрожжей, клеточный сок картофельных клубней, молочную сыворотку, экстракт пшеничных отрубей, экстракт солодовых ростков и другие продукты. Иногда добавляют мясной и рыбный пептоны. Для культивирования животных клеток используют экстракт плаценты, плазму крови животных. Для выращивания клеток растений или мицелия высших грибов применяют экстракты тыквы, листьев хлопчатника, отвар слив и др. 8
Пеногасители Процессы пенообразования и пеногашения играют важную роль при аэробном глубинном культивировании микроорганизмов. При сбалансированных пенных режимах увеличивается межфазная контактная поверхность и достигается интенсивный массообмен между средой и аэрирующим воздухом. Вспенивание питательной среды, устойчивость пены и ее реологические свойства (поверхностное натяжение, поверхностная вязкость) зависят от состава среды (содержания сахаров, липидов, белков, структурообразующих солей), режимов стерилизации и аэрации среды и пр. Для создания устойчивых режимов пенообразования применяют механические и химические пеногасители и их комбинации. Химические пеногасители (поверхностноактивные вещества - ПАВ) делятся на жировые и синтетические. Жиры проявляют пеногасящие свойства в относительно высоких концентрациях (0, 2— 1, 0% от объема среды и выше). Кроме того, для многих микробиологических процессов они являются необходимыми или дополнительными питательными компонентами. При ассимиляции жиры, расщепляясь до жирных кислот, изменяют р. Н среды. Весьма эффективны синтетические пеногасители: (силиконы, пропинолы, контрамин, полиформаль и др. ), выпускаемые для пищевой промышленности. В каждом конкретном процессе микробного синтеза экспериментальным путем подбирают оптимальный пеногаситель и рассчитывают его максимально допустимую дозировку. 9
Флокулянты В некоторых микробиологических процессах целесообразно стимулировать флокуляцию (конгломеризацию) клеток продуцента, например, для более эффективного фракционирования клеток или с целью удерживания клеток в условиях непрерывной ферментации. Применяют химические флокулянты (хлорид кальция, соли фосфорной кислоты) или синтетические полиэлектролиты, которые могут быть анион-или катионактивные, или неионогены. На выпадающем в осадок фосфате кальция, например, адсорбируются клетки продуцента. Из анионактивных полиэлектролитов используют сополимер акриламида и натриевой соли акриловой кислоты. Катионактивные полиэлектролиты (например, цетазолакриламид с сополимером - катионогенным мономером) осаждают белковые вещества ферментируемой среды (до 20 г на 1 г полиэлектролита) и на них адсорбируются клетки. Эффективность применения флокулянтов во многом зависит от температуры культивирования, р. Н среды и физиологического состояния клеток. 1 0
Среды для выращивания клеток растений и животных Помимо источников углерода, азота и других минеральных компонентов, среда для клеток многоклеточных организмов содержит специфические стимуляторы и регуляторы роста. Клетки растений, как правило, требуют индолилуксусную кислоту, кинетин и гиббереллиновую кислоту. Клетки животных нуждаются в ростовых веществах и незаменимых аминокислотах. Клетки растений и животных более чувствительны, чем микроорганизмы, к присутствию посторонних ингредиентов, поэтому требуют химически чистых компонентов среды. Индолилуксусная кислота Кинетин Гиббереллинов ая кислота 1 1
Конструирование питательных сред для выращивания микроорганизмов Многие нетребовательные микроорганизмы, хорошо растут на среде очень простого состава. Такая среда называется минимальной (синтетической). Для многих почвенных бактерий используют смесь витаминов, которые добавляют в количестве 2– 3 мл на 1000 мл минимальной среды – такая среда будет называться сложной (комплексной). 12
Технология приготовления питательных сред 13 Питательная среда для культивирования микроорганизмов должна удовлетворять двум основным требованиям: • она должна содержать все необходимые для роста компоненты; • не должна содержать примесей каких-либо микроорганизмов, т. е. должна быть стерильной. Методы стерилизации 1. Термическая стерилизация – прогревание среды при высоких температурах, когда большинство микроорганизмов погибают. Для большинства микроорганизмов достаточным оказывается кипячение среды (~100 о. С). Обычно среду прогревают при более высокой температуре, для чего нагревание проводят при повышенном давлении (3– 5 атм). Пастеризация как вариант термической стерилизации. Используют для уничтожения спорообразующих микроорганизмов.
14
Методы стерилизации 2. Стерилизация фильтрацией - щадящие методы стерилизации. Часто в качестве фильтров используют: неглазурованные фарфоровые фильтры (свечи Шамберлана); фильтр Беркефельда (из прессованного кизельгура); асбестовые пластины; стеклянные фильтры; Мембранные фильтры Стерилизация фильтрацией является одним из процессов так называемой мембранной технологии, которая используется не только для стерилизации, но и для фракционирования сложных смесей. • • • Недостатки способа: адгезия частиц к мембранам; неоднородность пор по диаметру; удержание части стерилизуемой дорогостоящей жидкости на мембране при фильтрации малых объемов ее; возможная селективная адсорбция ионов из небольших объемов растворов; недостаточная или плохая смачиваемость мембран водой. 15
3. Лучевая стерилизация - облучение УФ-светом, рентгеновскими и -лучами. 4. Химическая стерилизация - обработка -пропиолактоном, окисью этилена , смесью ОБ (смесь оксида этилена и бромистого метила и др. ) 16
3. Аппаратура 17 Для различных типов процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Типы ферментационных аппаратов Аппараты для анаэробных процессов • Применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных отходов, а также различных других отходов. Данные аппараты оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема (газгольдером) для сбора образуемого биогаза.
Ферментаторы Лабораторный ферментатор 3 л Промышленный ферментатор 25 000 л 18
Аппараты для аэробной поверхностной ферментации • широко применяются для производства органических кислот (жидкофазные) и ферментов (твердофазные). 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 порами продуцента. 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 конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации. 19
Главная задача, возникающая при их конструировании, – обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Кроме этого, концентрации клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментатора. Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. ферментационных аппаратов Классификации для аэробной глубинной ферментации по подводу энергии для перемешивания (Виестур и др. , 1986). Согласно этой классификации аппараты такого типа делятся на три группы по подводу энергии: 1– к газовой фазе (ФГ), 2 – к жидкой фазе (ФЖ), 3 – комбинированный подвод (ФЖГ). 20
Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для перемешивания 58
Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой • Общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментатор под определенным давлением. К таким ферментаторам относят: -барботажные ферментаторы, подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата; -аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха; -трубчатые ферментаторы (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь 22
Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой ферментаторы с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости; ферментаторы колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз. • Ферментаторы характеризуются достаточно простой конструкцией, высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики. 23
Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) 24 а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 – коллектор; б) барботажный колонный: 1 – корпус, 2 – рубашка, 3 – воздухораспределитель; в) барботажно-эрлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор-теплообменник, 3 – воздухораспределитель; г) газлифтный: 1 – корпус, 2 – диффузор, 3 – диспергатор, 4 – воздухораспределитель, 5 – теплообменник; д) трубчатый: 1 –пеногаситель, 2 –емкость, 3 – диспергатор, 4 – корпус, 5 – распределительная перегородка; е) с плавающей насадкой: 1 – рубашка, 2 – тарелка, 3 – насадка, 4 – корпус
Ферментаторы с подводом энергии жидкой фазой • Ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасы-вающими мешалками или насосами. К таким аппаратам относят: -аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор; -ферментатор с турбоэжекторными перемешивающими устройствами — аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна. • Они наиболее сложны по конструкции и энергоемки. 2 5
Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) а) с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контуртеплообменник; б) эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор; в) струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой; г) струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор 26
Ферментаторы с подводом энергии газовой и жидкой фазой (комбинированным подводом энергии) • Основные элементы- это перемешивающие устройства всех известных а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Например, аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости. В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментатор представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки. Применяются с 1944 г Используется также классификация биореакторов по способу перемешиван в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием. 2 7
Классификация биореакторов по способу перемешивания Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером. Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды. Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи» , типа «погруженной струи» , перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто 2 8
Ферментаторы обычно представляют собой герметические цилиндрические емкости, высота которых в 2– 2, 5 раза превышает диаметр. Чаще всего их изготовляют из нержавеющей стали. Для поддержания температуры в аппарате имеется двойной кожух или теплообменник типа змеевика. Главное требование к аппаратам — сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем ферментатора обычно не превышает 7/10 общего объема. Тип ферментатора для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой — скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с 2 9
4. ПРОДУКТЫ ОСНОВНОЙ БОИТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТЫ ТОНКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ 30
Продукты основной биотехнологии – это крупнотоннажные производства с невысокой степенью очистки. – технические ферментные препараты: • протеазы • амилазы • пектиназы – пищевые добавки или сырье для их приготовления (белок одноклеточных организмов); – микробиологические средства защиты растений, часто представляющих собой высушенную культуру микроорганизмов, патогенных для насекомыхвредителей с/х; – метаболиты для использования в пище и кормах: первичные метаболиты – аминокислоты, витамины, • кислоты (лимонная кислота), спирты, растворители; 31 • вторичные метаболиты – антибиотики для медицины • и ветеринарии.
32 Продукты основной биотехнологии Биогаз (метан) Биоудобрения Биоинсектицид ы Микробная биомасса Белок одноклеточных организмов Газохол (смесь этанола и бензина) Органические кислоты Полисахариды Пищевые продукты Экстракты Ферментные препараты Спирты Органические растворители Металлы, неметаллы 65
Продукты тонкой биотехнологии – 33 это комплекс процессов и производств, ориентированный на получение высокоочищенных продуктов. - высокоочищенные ферментные препараты, используемые в медицине в качестве лекарственных средств, при обработке пищевых продуктов, в качестве аналитических реагентов в клинической лабораторной диагностике и производстве - действующие основы лекарственных средств (инсулин)
Скачать презентацию Сырьевые ресурсы биотехнологии аппаратура и продукты 1 Лектор
сырье, аппаратура и продукт.ppt