Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения

           В  этом же производстве используется  сушилка с замкнутым контуром  теплоносителя, в которой выбросы в атмосферу пыли биомассы исключены. Так решаются проблемы по стокам и выбросам, вызвавшие большой резонанс при внедрении производства БВК (белково-витаминного концентрата) на разных заводах микробиологической промышленности.  
Производство пекарских дрожжей является примером производства живого биопрепарата. При прессовании дрожжей природоохранных проблем не возникает. При сушке необходима относительно низкая температура (клетки должны остаться живыми!). К сожалению, стоки здесь не возвращаются в производство, а идут на очистные сооружения.  
  Представлено производство «гретой» вакцины, в которой выросшие бактерии сначала отделяются ультрафильтрацией, затем происходит нагревание с реагентом и диализ, во время которого удаляются низкомолекулярные примеси из суспензии клеток. Амлулирование дает вакцины в готовой форме.

10 представлено производство спирта из зерна. Зерно приходится дробить, но так, чтобы потом его частицы можно было отфильтроватъ. Приготовленная среда (ее называют «затор») осахаривается с помощью солодовых ростков ячменя, содержащего фермент глюкоамилазу, или с помощью фермента, полученного микробиологическим путем. Далее проводится анаэробная ферментация (брожение), в результате которой получается этанол и диоксид углерода. Этанол из образовавшейся бражки отделяют и концентрируют ректификацией. Газом заполняют баллоны, готовым спиртом — емкости, а кубовый остаток (барду) используют как корм. Иногда ее тоже сушат, хотя сейчас это стало дорого.  
Дан пример очень длинной технологической схемы производства пенициллина. Здесь много подготовительных стадий, поскольку наряду с основной средой в процессе ферментации в ферментер подаются растворы глюкозы, аммиачной воды и фенилуксусной кислоты (ФУК). Получаемая после ферментации биомасса отделяется фильтрацией, сушится и используется как кормовой продукт. В фильтрате с помощью коагуляции отделяют- ся белки, получаемый осадок отфильтровывается.  
Для обеспечения чистоты продукта предусмотрены последовательные четыре стадии экстракции с переводом пенициллина из водного раствора в органический растворитель бутилацетат, затем обратно в водную фазу — раствор соды, снова в бутилацетат и затем раствором едкого кали в водный раствор.  
Интересно выполнена стадия освобождения бутилацетатного  
раствора от воды — его охлаждают до минус 16- 18° С, а затем отфильтровьгвают от образовавшихся кристалликов льда.  
В составе среды есть темно-коричневый компонент — кукурузный экстракт. Этот коричневый пигмент убирают из раствора путем сорбции на угле.  
Полученный водный раствор подвергают стерилизующей фильтрации, вакуум-вьшариванию с бутиловьтм спиртом при низкой температуре (1б2бо С). Сконцентрированный раствор кристаллизуют охлаждением, а образовавшиеся кристаллы отфильтровывают и сушат под ваккумом,  после чего стерильно фасуют в флаконы.

По сравнению с пенициллином производство ферментолизатов   кажется совсем простым. В качестве сырья здесь используют суспензию  биомассы и фермент. При ферментолизе (биокаталитическом процессе) происходит нарушение клеточных оболочек и выход содержимого клетки в раствор. Один из вариантов предполагает сушку всей образовавшейся суспензии, при этом получают неочищенный ферментолизат.  
В другом варианте оболочки клеток отделяют от раствора путем сепарирования или центрифугирования. Осадок представляет собой клеточные оболочки, которые после сушки являются хорошим сорбентом. Жидкая же фаза после сушки представляет собой очищенный ферментолизат.

Производство внутриклеточных  ферментов.

 Представлено производство  внутриклеточных ферментов.  Здесь после двух стадий отделения биомассы (сепарации и центрифугирования) появляется стадия дезинтеграции клеток, так как для выделения ферментов необходимо нарушить оболочку клеток. Далее происходит отделение оболочек клеток последовательно сначала на центрифуге, а затем с помощью микрофильтрации, и концентрат оболочек клеток поступает на сушку. Из жидкой фазы путем ультрафильтрации выделяется и концентрируется фермент, который затем высушивается в мягких условиях (сублимационная сушка).

 
Практически полным биотехнологическим производством является биологическая очистка стоков . Здесь представлено большое число подготовительных стадий (усреднение стоков, их нейтрализация до необходимой величины рН, очистка от механических примесей фильтрованием или отстаиванием, очистка от нефтепродуктов в нефтеловушке, коагуляция реагентами растворенных примесей; отделение образовавтлегося осадка отстаиванием). Подготовленный сток поступает на стадию биоокисления, на которой происходит изъятие растворенных органических веществ активным илом. Это и есть собственно биотехнологическая стадия в аэротенках с подачей воздуха, далее активный ил отделяется от жидкости отстаиванием, и очищенный сток поступает в водоем. Сгущенный активный ил частично возвращается на стадию биоокисления. Избыточное количество активного ила утилизируют одним из трех способов.  
Первый и самый неэкологичнъiй — распределение на так называемых <иловых площадках», где он долго сушится на открытом воздухе, занимая большие площади и распространяя вокруг запахи.  
Второй способ предполагает концентрирование ила с помощью флотации. Концентрат активного ила поступает на сушку. Высушенный ил используют в качестве удобрения или кормового продукта — в зависимости от его загрязненности.  
И наконец, третий способ: концентрат активного ила перерабатывается метановым брожением в биогаз, а образовавшийся осадок высушивается и также применяется как удобрение.  

Микробиологическая очистка почвы  от загрязнений нефтью.

На рис.  представлена блок-схема  очистки почвы от загрязнений нефтью. Эта технология весьма напоминает сельскохозяйственную. Сначала загрязненный участок подвергают рыхлению путем вспашки. далее в него вносят удобрение и биопрепарат’ (живые нефтеокисляющие микроорганизмы). После этого начинается биокомпостирование, в процессе которого обработанный участок периодически взрыхляют для обеспечения доступа воздуха к микроорганизмам, проводят дополнительные подкормки удобрениями. При этом нефтеокисляющие микроорганизмы размножаются и в процессе своего роста потребляют нефтяные загрязнения, разлагая их до диоксида углерода и воды. Когда их содержание снизится до определенного уровня, проводят посев травяных культур, которые дополнительно восстанавливают структуру загрязненной почвы.

Бактериальное выщелачивание металлов из руд.

 
Блок-схема процесса бактериального выщелачивания металлов из руд представлена на рис.  Как и в других процессах, руду перед началом производства измельчают. Затем ее смешивают с  раствором минеральных солей, и  под действием микроорганизмов  происходит переход ионов металла из руды в раствор. далее суспензия отстаивается, твердая фаза возвращается на стадию выщелачивания, а жидкая фаза поступает на стадию биокисления и регенерации клеток. Здесь двухвалентное железо под действием кислорода воздуха и бактерий превращается в трехвалентное, а количество микроорганизмов возрастает. Далее раствор подвергается отстаиванию. При этом образовавшийся осадок, содержащий уже малые концентрации металла, поступает в отвал. ) Жидкий раствор с регенерированным трехвалентным железом и ионами цветных металлов частично возвращается в биореактор, а частично идет на стадию выделения.

Производства хлеба.

На рис.  схематически представлен  процесс производства хлеба. Приготовление  опары (суспензии муки в воде) является аналогом приготовления среды в биотехнологических производствах. В опару добавляют дрожжи, и она подвергается брожению. Затем в нее дополнительно вносят муку («замес теста»), и вновь происходит анаэробный биологический процесс брожения. далее тесто делят на заготовки и они уже в третий раз подвергаются действию дрожжей в процессе, называемом <расстойка>. При этом диоксид углерода, образующийся при брожении, увеличивает объем хлеба и создает его пористость. Последующая стадия вы- печки закрепляет полученный результат и превращает по существу жидкий полупродукт в твердое тело — хлеб, батон или прочие хлебобулочные изделия.  

Производство фермонтолизатов.

Из рассмотренньих схем также следует, что биотехнологические производства включают в себя как  специфические для биотехнологии стадии (ферментация, биоокисление, биотрансформация, брожение, бактериальное вьищелачивание, биокомпостирование, ферментолиз, стерилизация среды и воздуха, дезинтеграция микроорганизмов), так и множество стадий, встречающихся и в химической технологии (фюгьтрация, сепарация, отстаивание, экстракция, сушка, выпаривание, ультрафильтрация и обратный осмос, кристаллизация, ректификация, коагуляция и др.). Эти стадии, конечно, имеют свою специфику в биотехнологических производствах в связи со специфическими физическими и физико-химическими свойствами биологического объекта, его лабильностью и вариабельностью.  
Задачей дальнейшего изучения курса будет рассмотрение отдельных процессов биотехнологических производств — как специфически биотехнологических, так и общих с химической технологией.  

4. ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ: ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Мы уже дали определение процессу ферментации как процессу, в котором происходит преобразование исходного сырья в продукт с использованием биохимической деятельности микроорганизмов или изолированных клеток.  
Практически синонимами слова «ферментация» можно считать такие термины, как культавирование, выращивание микроорганизмов, боисинтез.  
Следует отличать ферментацию от биокатализа (в котором уже полученный ранее фермент или биомасса микроорганизмов используются как катализаторы биохимического процесса синтеза продукта из исходного сырья и реагентов) и от биотрансформации (в этом процессе также применяется биокатализатор в виде фермента или биомассы микроорганизмов, но исходное вещество по химической структуре мало отличается от продукта биотрансформации).

                            КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

По признаку целевого продукта процесса ферментация может быть следующих типов:  
1) ферментация, в которой целевым продуктом является сама биомасса микроорганизмов; именно такие процессы часто обозначают словами «культивирование», «выращивание»;  
2) целевым продуктом является не сама биомасса, а продукты метаболизма — внеклеточные или внутриклеточные; такие процессы часто называют процессами биосинтеза;  
3) задачей ферментации является угилизация определенных компонентов исходной среды; к таким процессам относятся биоокясление, метановое брожение, биокомпостирование и биодегралация.  
Исходную среду в процессах ферментации или ее основной компонент часто обозначают словом субстрат.  
По основной-  фазе, в которой протекает процесс ферментации, различаются:  
1) поверхностная (твердофазная) ферментация (культивирование на агаровых средах, на зерне, производство сыра и колбас, биокомпостирование и др.);  
2) глубинная (жидкофазная) ферментация, где бтiомасса микроорганизмов суспендирована в жидкой питательной среде, через которую при необходимости продувается воздух или другие газы;  
3) газофазная ферментация, в которой процесс протекает на твердом носителе, где закрепляются микроорганизмы, но сами частицы носителя взвешеньт в потоке газа, насыщенном аэрозолем питательной среды. Надо сказать, что подобный способ ферментации используется довольно редко, в основном при очистке газов от вредных и одорирующих примесей.  
По отношению к кислороду-  различают аэробнуто, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию по аналогии с классификапией самих микрооргаiизмов.  
По отношению к свету — световая (фототрофная) и темновая (хемотрофная) ферментация.  
По степени защищенности от посторонней микрофлоры — асептическая, условно асептическая и неасептическая ферментация. Иногда асептическую ферментацию называют стерильной, что не- верно: в среде есть целевые микроорганизмы, но нет чужеродньтх.  
В условно асептической ферментации допускается некоторый уровень попадания посторонней микрофлоры, которая способна сосуществовать с основной или по содержанию не превышает определенного предела.  
По числу видов микроорганизмов - различают ферментации на основе монокультуры (или чистой культуры) и смешанное культивировацие, в котором осуществляется совместное развитие ассоциации двух или более культур.  
По способу организации -  процессы ферментации могут быть:  
периодические;  
непрерывные;  
многопиклические;  
отьемно-доливные;  
периодические с подпиткой субстрата;  
полунепрерывные с подпиткой субстрата.  
Все эти виды ферментации (по способу их организации) легко идентифицировать но способу загрузки сырья и выгрузки продукта.  
В периодических процессах загрузка сырья и посевного материала в аппарат производится единовременно, затем в аппарате в течение определенного времени идет процесс, а после его завершения полученная ферментапионная жидкость выгружается из аппарата.   
В непрерывных процессах загрузка и выгрузка среды протекают непрерывно и одновременно, причем скорость подачи в аппарат свежей питательной среды равна скорости отбора из аппарата ферментационной жидкости. В итоге объем среды в аппарате сохраняется постоянным в течение длительного времени (рис. 4.2), теоретически —бесконечно, а практически — до какой-нибудь неполадки.  
Многоциклические процессы в основном напоминают периодические, но при выгрузке в аппарате оставляется часть ферментационной жидкости, которая служит посевньтм материалом для следующей ферментации (цикла), и только после этого добавляется свежая питательная среда. Такая организация процесса позволяет обойтись без специальной стадии приготовления посевного материала.  
В отьемно-доливных процессах ферментация в промежугках между загрузкой и разгрузкой аппарата протекает как периодическая, но после некоторого времени, определяемого по состоянию  
процесса, часть ферментативной ной среды вьггружают и заменяю свежей средой.  
В сравнении с многоциклическим процессом здесь меньше отбираемая часть жидкости,  
но зато и интервалы между отборам меньше и число отбор гораздо больше. Процесс  
при таких частых отборах и добавления среды протекает по-  
другому, чем в строго периодическом процессе, и часто имеет  
лучшие характеристики, а не только обеспечивает экономию  
на посевном материале.

В периодическом процессе с подпиткой субстрата часть среды загружается в начале ферментаии, а другая часть добавляется Непрерывно по мере протекания процесса (рис. 4.5). Естественным завершением процесса является переполнение аппарата, поэтому необходимо переходить на строго периодический процесс с максимальным объемом среды и быстро завершать его.  
Полунепрерывные процессы с подпиткой субстрата являются сочетанием оггьемно-доливных и подпиточньгх.  В рассмотренном процессе с подпиткой после достижения определенного состояния происходит отбор части ферментационной жидкости из аппарата, а затем постепенное добавление субстрата до нового заполнения аппарата.  
В результате удается снять с одного аппарата во много раз больше культуральной жидкости, да и процесс при этом протекает значительно интенсивнее.  
Следует отметить, что во всех случаях здесь имеется в виду основной материальный поток жидкости. Воздух, например, для аэробной ферментации добавляется непрерывно даже и в периодических процессах, то же часто бывает при добавлении щелочи для регулирования величины рН или жидкого пеногасителя.

ОСНОВНЫЕ  ПАРАМЕТРЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ

Рассмотрим теперь более подробно периодическую ферментацию. Основные параметры процесса. После того как в аппарат загрузили среду, создали необходимую температуру, добавили посевной материал и стали подавать воздух для аэрации, собственно , и начался процесс ферментации. Как следить за протеканием этого процесса? для этого необходимо время от времени или непрерывно определять, какие изменения происходят в ферментационной среде.  
Обычно состояние процесса характеризуется следующими основными параметрами:  
концентрация биомассы микроорганизмов Х;  
концентрация питательной среды — субстрата (или его основного компонента)  
концентрация продукта Р.  
Все эти концентрации приведены к единице объема среды.  
Фазы периодической ферментации. Рассмотрим, как изменяется концентрация биомассы в процессе периодической ферментации (фазы ферментации) .  
В начале ферментации некоторое время микроорганизмьт как бы приспосабливаются к новой среде, их концентрация не меняется. Этот период называется лаг-фаза. далее начинается рост — это фаза ускорения роста. Третья фаза — фаза наиболее интенсивного роста, происходит наибольший относительный прирост био- массы. Это фаза экспоненциального роста. Затем скорость роста (относительная) начинает уменьшаться — это фаза замедления роста. достигнув некоторой максимальной величины, концентрация биомассы далее перестает возрастать.  В этой фазе — стационарной --- в среде истощаются питательные вещества и накапливаются продукты обмена, тормозящие рост. Биомасса растет и одновременно происходит гибель части клеток (автолаз), так что общая концентрация сохраняется постоянной. И наконец, в фазе отмирания автолиз начинает преобладать над ростом, и концентрация биомассы микроорганизмов снижается.