Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения

2. Биотехнологические  стадии:

1. Ферментация  
2.  Биотрансформацвия  
3.  Биокатализ (реакции с ферментами)  
4.  Биоокисление  
5.  Метавовое брожение  
6.  Биокомпостирование  
7.  Биосорбция  
8.  Бактериальное выщелачивание  
9.  Биодеградация

   3. Разделение жидкости и биомассы:

     1.  Отстаивание  
     2.  Фильтрация  
     3.  Сецарация  
     4.  Центрифугирование  
     5.  Микрофильтрация  
     6.  Ультрафвльтрапия  
     7.  Коатуляция  
     8.  Флотания

4. Выделение вне-внутриклеточных  продуктов:

1. Экстракция и экстрагирование
2. Осаждевие Цевтрифугировавие
3. Адсорбция
4. Ионцый обмен
5. Оттонка, ректификацця
6. Деэиятеграшiя
7. Гидролиз
8. Ферментолиз
9. Ультрафильтрация

5. Очистка продукта 

1. Экстракция
2. Осождение
3. Адсорбция
4. Ионный обмен
5. Храмотография
6. Диализ
7. Ультрофильтрация
8. Обратный осмос
9. Ферментолиз
10. Кристаллизация
11. ректификация

6. Концентрирование продукта

1. Выпаривание
2. Сушка
3. Осаждение
4. Кристаллизация
5. Фильтрация
6. Ультрафильтрация
7. Нанофильтрация

7. Изготовление готовой  формы продукта

1. Гранулирование
2. Дражирование
3. Таблетирование
4. Розлив
5. Фасовка
6. Ампулирование

 

1. ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ СТАДИЯ

 

         Подготовительные стадии - служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.  На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы: Приготовление среды, обычно жидкой, включающей необходимые компоненты питания для биотехнологической стадии.

         Стерилизация среды — для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры. 

         Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходимых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствующих в воздухе микроорганизмов, включая споры.     

        Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения м икробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений или животных необходимо подготовить и посевной материал — предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.       

      Подготовка биокатализатора.  Для процессов биотрансформации или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор - либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микрооргазмов, выращенную предварительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность.  

        Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья.

 

2. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ И БИОМАССЫ

 

                    Чаще всего целевой продукт находится либо в самой биомассе, либо в жидкости. В обоих случаях необходимо сначала разделить эти две фазы, В зависимости от свойств биомассы и жидкости для этих целей могут быть использованы различные процессы.  
Отстаивание — разделение под действием гравитационных сил (обычно при очистке сточных вод).  
                 Фильтрация — пропускание суспензии через фильтрующий материал, на котором задерживаются частицы твердой фазы — био- масса. Такой способ применяют в производстве антибиотиков, особенно в тех случаях, когда микроорганизм-продуцеi-iт имеет мицелиальный характер.  
                 Сепарация, центрифугирование — разделение под действием центробежных сил. Наиболее часто используется для отделения дрожжей или бактерий в производстве кормовой биомассы.  
                Микрофильтрация, ультрафильтрация — пропускание суспензии через мембраны с весьма малым размером пор, обеспечивающее удержание клеток микроорганизмов на мсмбране и получение раствора, свободного от взвешенных клеток. Ультрафильтрация задерживает уже не только клетки, но и крупные молекулы растворенных веществ.  
              Коагуляция — добавление в суспензию реагентов, способствующих образованию и осаждению более крупных клеточных агломератов и отделению их от жидкости путем отстаивания.  
            Флотация — захват биомассы микроорганизмов пузырьками пены и выделение ее из пенной фракции.

         2.3   ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ БИОСИНТЕЗА

Эта стадия имеет определенные отличия, связанные с тем, являются продукты внеклеточными или внутриклеточными.  
Так, для внутрикслеточных продуктов сначала необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов, среди которых можно назвать следующие: 

              Дезинтеграция клеток. Этот процесс разрушения клеточной оболочки может осуществляться физическими методами с помощью мелющих тел, путем замораживания в вродавливания, воздействием ультразвуком, методом декомпрессии — резкого сброса давления) или химическими и биотехнологическим и методами.  
             Гидролиз — разругвение клеточных оболочек под действием химических реагецтов и температуры.  
             Ферментолиз — разрушение клеточных оболочек под действием ферментов при повышенной температуре.  
            Автолиз — разновидность ферментолмза, когда используют собственные ферментьт клетки.  
После проведения предварительной операции разрушения кгеток выделение целевого продукт осуществляется из раствора методами, которые являются общими для внеклеточных и внутриклеточных продуктов.  
           Экстракция — переход целевого продукта из водной фазы в несмешиваюшуюся с водой органическую жидкость (экстрагент). Наиболее известно выделение жироподобньгх веществ жидкими углеводоролами (типа бензина), но применяются и многие другие виды экстрагентов (хлороформ, эфир, бутилацетат). Экстракция прямо из твердой фазы (в том числе и биомассы микроорганизмов) называется экстрагированием.  
           Осаждение — выделение целевого продукта путем добавления к жидкости реагента, взаимодействующего с растворенным продуктом и переводящего его в твердую фазу.  
           Адсорбция — перевод растворенного в жидкости продукта в твердую фазу путем его сорбцви на специальных твердых носителях (сорбентах).  
          Ионный обмен — то же, что адсорбция, но в этом случае в твердую фазу переходят ионьт (катионьг или анионы), а не целиком молекула целевого продукта или примеси.  
        Отгонка, ректификация — эти методы используют для выделения растворенных в культуральцой жидкости легкокипящих продуктов. Пример этиловый спирт.  
       Ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос применяются для выделения высокомолекулярных соединений (белков, полилепитидов, полинуклеотидов). Обратный осмос и нанофильтрация позволяют отделять даже небольшие по размеру молекулы.  

2.4 ОЧИСТКА ПРОДУКТА 

 

На стадии выделения  продукта главная задача – отделить основную часть продукта. Поэтому необходимо получать биопродукты высокой кондиции, добавляют еще стадию очистки продукта. Задача этой стадии убрать примеси, сделать продукт максимально чистым.  
          Эта задача решается с помощью разнообразных процессов, в числе которых многие из тех, что уже были рассмотрены ранее.

Это - экстракция и экстрагирование, адсорбция, ионный обмен, ультрафильтрация и обратный осмос, ректификация и ферментолиз. Кроме этих процессов используют и следуюшие.  
          Хроматография — процесс, напоминающий адсорбцию. На твердом сорбенте собираются растворенньие вещества, но не одно, а несколько, часто близких по структуре. Например, смеси белков, нуклеотвдов, сахаров, антибиотиков. При адсорбции они и десорбируются вместе. А вот при хроматографии они выходят из сорбента как бы по очереди, что и позволяет их разделять и, значит, очищать друг от друга.  
Диализ — процесс, в котором через полупроницаемую перегородку могут проходить низкомолекулярные вещества, а высокомолекулярные остаются. Путем диализа осуществляют очистку вакцин и ферментов от солей и низкомолекулярных растворимых примесей.  
        Кристаллизация. Этот процесс базируется на различной растворимости веществ при разных температурах. Медленное охлаждение позволяет формировать кристаллы из растворов целевых продуктов, причем чистота их обычно очень высока. Вся «грязь» остается в маточном растворе. Таким образом, например, получают кристаллы пенициллина.  
Можно даже получить еще более чистый продукт, если кристаллы растворить в воде или растворителе, а потом снова кристаллизовать (т. е. провести процесс перекристаллизации).  

2.5 КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ПРОДУКТА

 

        После очистки  продукта он часто находится  все-таки в растворе с небольшими  концентрациями примесей. Дальнейшая задача — обеспечить его концентрирование.  
Необходимо рассмотреть, как обычно меняется концентрация целевого продукта от биотехнологической стадии до готовой формы продукта. На выходе из биотехнологической стадии суспензия обычно содержит целевого продукта примерно 0,1—1%, после стадии отделения биомассы — 0,1—2%,  после стадии выделения — 1—10%, после очистки — 50—80%. и,  наконец, после концентрирования — 90— 100%.  
На стадии концентрирования применяют такие процессы, как выпаривание, сушка, осаждение, кристаллизация с фильтрацией получившихся кристаллов, ультрафильтрация и гиперфильтрацяя или нанофильтрация, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.

 

2.6 ПОЛУЧЕНИЕ ГОТОВОЙ ФОРМЫ ПРОДУКТА

 

На завершающей стадии производства продукт приобретает товарную форму за счет проведения процессов гранулирования (формирование гранул из порошка или прямо из раствора), дражирования, таблетирования (формирование драже, таблеток), розлива или фасовки, амвулирования (затаривания в ампулы).  

 

3. БЛОК-СХЕМЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

 

          Рассмотрим  несколько примеров блок-схем  производства различных продуктов  из числа перечисленных ранее.  Блок-схема отражает последовательность  технологических стадий при получении  продукта.

 представлена блок-схема производства биогаза. 

 

 Биогаз 

 

 

 

 

Удобрение

 

 

 

 

  Производство   биогаза.

 

 

Здесь из типовой схемы производства имеются подготовительные стадии, стадия метанового брожения, сушка как стадия концентрирования. Компримирование биогаза можно рассматривать как создание его готовой формы.

 

 Йогурт

 

 

 

 

 

Производство йогурта.

 
В производстве йогурта (рис.2) есть две подготовительные стадии, одна биотехнологическая стадия и стадия розлива, представляющая собой приведение продукта к готовой форме.

Производство кормового лизина (рис. 3.4) несколько сложнее. Подготовительные стадии кроме получения посевного  материала включают в себя стадии приготовления многокомпоне нтной  сложной среды, ее стерилизацию, а  также компримирование и стерилизацию воздуха. Два процесса составляют стадию концентрирования: сначала образующуюся на стадии ферментации культуральную жидкость выпаривают под вакуумом (что дешевле, чем сразу сушить) и только после этого сушат на распылительной сушилке. Есть модификации технологии, когда перед сушкой проводят гранулирование продукта с добавленными отрубями, а сушку осуществляют на ленточной сушилке.

           В  производстве вина  впервые появляется  стадия отделения биомассы —  фильтрование.  
          Производство технических внеклеточных ферментов включает в себя полный комплект подготовительных операций для асептической ферментации, отделение биомассы, выделение фермента ультрафильтрацией и затем две стадии сушки для двух продуктов: более мягкая для самого фермента и более жесткая для биомассы микроорганизмов, используемой как кормовой продукт.  
            Производство паприна представляет собой получение инактивированной биомассы, поэтому кроме сепарации биомассы имеется еще процесс ее стерилизации. Важной особенностью этого процесса является возврат в ферментер фугата (называемого ОКЖ — отработанной культуральной жидкостью) через процесс биоокясления активным илом и отделения образованшейся вторичной биомассы (сгущенного ила), которая присоединяется к основной биомассе перед тепловой стерилизацией (на схеме не показано). В результате полностью исключаются стоки на стадии сепарации.