Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения

Это — экономический коэффициент  по биомассе, но аналогичный коэффициент может быть вычислен и по продукту метаболизма:

Ясно, что обозначения коэффициентов  должны различаться. Понятно, что он определен не совсем точно. В начале процесса уже существует некоторое количество биомассы, определяемое ее концентрацией Х0, так что прирост ее за время ферментации меньше, чем Х, и равен (А Х0).  
В то же время не весь субстрат до конца расходуется за время процесса; какая-то часть его, определяемая конечной концентрацией 5, останется, так что потребление субстрата будет не Sо.  
Иногда вместо экономических коэффициентов используют обратные им и называют их метаболическими, или трофическими, коэффициентами.

К определению экономичечкого коэфицента за произвольный промежуток времени.

С точки зрения производственника  лучше первое определение, так как остаточный субстрат — это в любом случае невосполнимые его потери, а выращенный до ферментации посевной материал — это достижение.

7. БИОКАТАЛИЗ И БИОТРАНСФОРМАЦИЯ

                                                                               ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Мы уже говорили, что биокатализ и биотрансформация являются процессами химического превращения одного или более веществ, протекающими под действием кадализаторов ферментов, применяемых в очищенном виде или в составе клеток микроорганизмов либо изолированных животных или растительных клеток.  
При этом биотрансформация — это относительно неглубокое химическое превращение уже в основном сформированного химического соединения под влиянием ферментов. При биокатализе же возможен синтез нового вещества из различных по структуре реагентов или разложение сложного вещества под действием ферментов.  
Рассмотрим основные группы технически важных биотрансформации:  
гидроксилирование различных позиций молекулы вещества (добавление гидроксильной группы ОН);  
введение двойной связи в том или ином месте;  
обрыв боковых цепей у разветвленных молекул;  
окисление молекул спиртов до кетонов;  
дегидрирование;  
изомеризация;  
ароматизация (появление ароматических углеводородных радикалов).  
Назовем также основные виды реакций биокатализа (практически они будут совпадать с наименованиями основных групп ферментов вообще):  
окисление и восстановление;  
перенос химических функциональных групп от одних молекул на другие;  
гидролиз;  
реакции с участием двойных связей (образование или, наоборот, присоединение к ним химических групп);  
изомеризация, или структурные изменения в пределах одной молекулы;  
синтез сложных соединений (как правило, требующий энергетических затрат).  
Как видно из приведенных перечислений, биотрансформация и биокатализ являются процессами, сходными по своей природе

В обоих случаях реакции превращения  субстрата в продукт протекают  через промежуточную стадию взаимодействия фермента с субстратом (субстратами) и образования фермент-субстратных комплексов.  
Молекула фермента — очень длинный закрученный белок, к тому же свернутый в виде пространственного упругого клубка причудливой формы. 

 
Спутанность и беспорядок белка  не случайны — они строго обусловлены  чередованием аминокислот в молекуле фермента. В этой структуре есть участки, куда легко притягивается определенная форма молекулы субстрата. Это как бы ключ—замок, позволяющий нужной молекуле субстрата (или субстратов) быстро занимать свое удобное «ложе», быстро вступать в нужную реакцию и «выскакивать», как только она прошла.  
Доказано, что скорость реакции на ферменте в 10 млрд. раз больше, чем без него. Вот почему ферменты запросто осуществляют многие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаимодействие атмосферного азота с водой с образованием аммонийных соединений. Вот почему ферменты запросто осуществляют многие процессы, которые кажутся нереальными без них, например взаимодействие атмосферного азота с водой с образованием аммонийных соединений.

ПРЕИМУЩЕСТВА  И НЕДОСТАТКИ БИОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 
В заключение рассмотрим преимущества и недостатки биокаталитических  процессов по сравнению с химическими.  
ПРЕИМУЩЕСТВА  
1. Каталитическая активность ферментов высокоспецифична и ограничивается одним типом реакций, так что не происходит побочных реакций.  
2. Ферменты могут сразу атаковывать исходную молекулу и осуществлять превращение, для которого потребовалось бы несколько вспомогательных многоступенчатых химических синте зов.  
3. Химические преобразования вещества упрощаются — одна или две ступени вместо многоступенчатого  синтеза.  
4. Ферментативные реакции могут протекать с большой скоростью в мягких условиях.  
НЕДОСТАТКИ  
1. для получения чистого продукта нужен и чистый фермент, а его выделение очень дорого.  
2. В выходящем из реактора продукте сохраняется фермент, который продолжает действовать. 3. Дорогостоящий фермент используется только однократно.  
4. Свободный фермент быстро инактивируется (т. е. разрушается).  
5. В отличие от биомассы, которая самовоспроизводится в процессе непрерывной ферментации, фермент в непрерывном процессе нужно все время вводить, так как он вымывается с продуктом реакции.

ОБЩАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССОВ БИОТРАНСФОРМАЦИИ

 
Рассмотрим преимущества и недостатки процессов биотрансформации с иммобилизованным биокатализатором в сравнении с процессами ферментации.  
ПРЕИМУЩЕСТВА  
1. Более высокая концентрация реагентов в потоке.  
2. Более чистый и менее сложный по составу поток.  
3. Проще выделяется продукт.  
4. Меньшие капитальные затраты.  
5. В непрерывном процессе биотрансформации более эффективно используются оборудование и рабочая сила.  
6. Процесс биотрансформации легче автоматизировать.  
7. Меньше и проще требования к отходам.  
НЕДОСТАТКИ  
1. Стоимость сырья выше, чем для обычной ферментации.  
2. Существуют проблемы со стабильностью биокатализатора.  
3. для получения биокатализатора все-таки требуется ферментация. Ее стоимость, как и стоимость установленного оборудования, накладывается на процесс биотрансформации.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Ф Е РМ Е НТО В

Заканчивая раздел, связанный с  процессами биокатализа и биотрансформации, перечислим наиболее известные примеры  использования ферментов.  
1. Получение глюкозо-фруктозньтх сиропов из крахмала. Здесь используется З фермента: амилаза — для разжижения крахмала, глюкоамилаза — для осахаривания крахмала (трансформации в глюкозу) и глюкозоизомераза — для изомеризации глюкозы в более сладкий сахар фруктозу.  
2. Обработка молочной сыворотки. Фермент бета-галактозидаза способствует расщеплению молочного сахара лактозы на глюкозу и галактозу.  
Тот же фермент используется для обработки молока и получения безлактозного молока.  
З. Производство этанола, пива. Здесь используют те же ферменты, что и для получения глюкозо-фруктозньтх сиропов (кроме глюкозоизомеразы), — амилаза и глюкоамилаза.  
4. Обработка молока при получении творога и сыров. Здесь используется молокосвертывающий фермент микробный реннин.  
5. Стиральные порошки с биодобавками. Используются ферменты протеазы.  
б. Производство вина и соков. Здесь используется фермент пектиназа, который позволяет превращать взвешенные частицы виноградной или фруктовой мезги в растворимые сахара.  
7. Получение Ё—аминокислот,  преимутцественно усваиваемых животными, из В-аминокислот, которые получаются при химическом синтезе. Такую изомеризацию осуществляют фермент- аминоацилазы.  
8. Очистка кожи от волос в кожевенной промышленности. Эта операция осуществляется с использованием ферментов протеаза, коллагеназа.  
9. Осуществление превращений стероидов (например, превращение гидрокортизона в преднизолон). Используется иммобилизованный фермент дегидрогеназа.  
10. Модификация природных антибиотиков. Мы уже упоминали практически важный процесс получения 6-аминопеницилла - новой кислоты (б-АПК) из пенициллина. Используется фермент пенициллинамидаза или иммобилизованные клетки бактерий, продуцирующих этот фермент.  

8. ОТДЕЛЕНИЕ БИОМАССЫ  
ОТ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ

Для отделения взвешенных биологических  частиц от культуральной жидкости используются различные физико-химические свойства:  
плотность частиц;  
размер частиц;  
поверхностные свойства частиц.  
При разделении суспензий по плотности  части и  используют следующие методы:  
1)        седиментация (отстаивание) — для крупных частиц размером от 2,3 мкм до 1 мм, по плотности отличающихся от окружающего раствора;  
2) гидроциклонирование — от 5 до 700 мкм;  
3) центрифугирование — от 400 до 900 пм;  
4) ультрацентрифугирование — от 10 нм до 1 мкм.  
По размеру  частиц методы разделения биологических суспензий могут быть следующими:  
1) фильтрация через тканевые фильтры — для частиц размером от 10 мкм до 1 мм;  
2) микрофильтрация — для частиц размером от 200 нм до I0 мкм;  
З) ультрафильтрация, позволяющая отделять частицы размером от 10 пм до 5 мкм.  
Для сведения: размеры микроорганизмов следующие: вирусы — чуть больше 10 нм, бактерии — 0,3—1,0 мкм (т. е. 300—1000 пм), дрожжи — 3—5 мкм, мицелий грибов и эритроциты — до 10 мкм.  
Мицелиальные грибы имеют размеры микроколоний до 1 мм, что упрощает их отделение от жидкости. Есть также нерастворимые компоненты среды (мука, дробина в спиртовом производстве). Гранулы биокатализаторов имеют размеры около 1 мм (чтобы их легче было отделять).  
Макромолекулы имеют размеры частиц в диапазоне 10—120 им, микрочастицы — от 120 нм до 10 мкм, тонкие взвеси — от 10 до 100 мкм и грубые взвеси — от 100 мкм до 1 мм.  
Поверхностные свойства частиц используются в процессе флотации. За основу в этом методе принимается не размер, а способность клеток удерживаться пузырьками воздуха; ориентировочный диапазон размеров флотируемых частиц варьирует от 1 до 200 мкм.  
Конкретный выбор того или иного метода зависит от опытной проверки, так как не всегда точно известны свойства отделяемых частиц и их поведение в условиях использования тех или иных методов разделения.  
Основные характеристики методов разделения суспензий подробно рассматриваются в курсе «Процессы и аппараты химической технологии». Здесь же даны особенности их использования в биотехнологических процессах.

ОТСТАИВАНИЕ И  ОСАЖДЕНИЕ

Этот метод наиболее часто используют в процессах очистки стоков — отстаивание активного ила. Используется он также для отделения животных и растительных клеток, мицелиальных грибов и пивных дрожжей.  
Для успешного проведения процесса отстаивания не обязательно сами микроорганизмы должны быть крупными: они могут концентрироваться на хлопьях, агломератах.  
Часто процесс отстаивания комбинируется с предварительной коагуляцией или флокуляцией. В обоих случаях к суспензии добавляется реагент (соли алюминия или железа при коагуляции и полиэлектролиты при флокуляции).  
Прикрепленные к длинным молекулам коагулянтов или флокулянтов несколько клеток создают основу агломерата, который в результате имеет больший вес и меньшую подвижность, что приводит к седиментации осадка.

Недостатками метода являются: большая продолжительность процесса (порядка нескольких часов) и не очень хорошее разделение (в осадке концентрация биомассы не превышает 1—3 %). Скорость отстаивания зависит от размеров и плотности хлопьев, а также от их поверхностных свойств.  
Применительно к осаждению осадка сточных вод — активного ила — используют иловый индекс, характеризующий содержание биомассы  активного ила в осаждаемом слое за 30 мин отстаивания.

Но биологический осадок не является монодисперсным (частицы, а точнее агломераты, имеют разный размер). В результате высота слоя осадка изменяется со временем не по прямой линии, а по кривой, причем скорость осаждения снижается во времени.  
Еще чаще клетки с какого-то момента перестают осаждаться. Это связано с тем, что мелкие клетки имеют поверхностные свойства, удерживающие их от осаждения. Многие мелкие клетки не осаждаются вовсе.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ И СЕПАРАЦИЯ

Для преодоления отмеченных ранее трудностей осаждения скорость осаждения клеток усиливают, помещая  суспензию в поле центробежных сил. Центрифуги и сепараторы, которые это поле создают, часто называют осадительными.  

 Сепаратор изобрел шведский  
ученый Густав де Лаваль в 1896 г.

 Сепараторы выпускает известная в биотехнологической  
промышленности фирма,  
которая так и называется — «Алъфа Лаваль».  
Сепаратор имеет Полый вал, неподвижный  
корпус с размещенным в нем  
пакетом вращающихся с валом конических тарелок, находящихся одна над другой так, что образуется коническое пространство. Жидкость входит по полому валу под нижней тарелкой и доходит до внешнего цилиндрического края корпуса. Далее она движется между коническими тарелками к центробежному коллектору, из которого осуществляется выход жидкости.  
В процессе этого движения частицы биомассы  отбрасываются по направлению от центра вращения и сползают по  коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в конечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.  
В корпусе расположены сопла, из которых под большим давлением происходит выгрузка сгущенной биомассы.  
Существуют различные модификации подобных сепараторов, в том числе с ручной, а также механизированной циклической и непрерывной выгрузкой осадка.  
В целом такая конструкция увеличивает время пребывания частиц в сепараторе и тем самым его производительность.  
Преимущества центробежных сепараторов  
высокая производительность,  
хорошая степень 0центрирования (до 10—15); достигается концентрация биомассы 5—15 % по сухой массе;  
возможность повышения скорости сепарирования предвари тельной обработкой жидкости флокулянтами.

 Недостатки сложность оборудования;  
энергоемкость процесса (хотя по сравнению с выпаркой затраты энергии все же меньше).

ФИЛЬТРАЦИЯ 
фильтрация — это задержание 3щенньтхчасти сетчатой (тканевой) или пористой перегородкой. движущей силой является разность давлений, вызывающая протекание жидкости   
При обычной фильтрации задерживаются частицы, величина которых больше размеров пор. Такая фильтрация называется «ситовой», и используется она при малом количестве взвешенных частиц, для осветления жидкости. Через какое-то время вся поверхность <сита» закрывается микроорганизмами, и фильтрация прекращается.  
Обычно же при фильтрации микроорганизмов используют фильтры, размер пор которых больше размера микроорганизмов. В этом случае фильтрация происходит через слой осадка . 
Сначала клетки микроорганизмов могут «проскакивать» через поры ткани. Затем на поверхности образуется слой осадка, и фактически фильтрование идет через него. По мере фильтрации все время возрастает толщина слоя осадка.  
В ходе фильтрования возрастает объем жидкости, прошедшей через фильтр, знаменатель выражения возрастает, а скорость фильтрации падает.

Преимущества. С помощью фильтрации получают более обезвоженные осадки (20—40 % по сухой массе), чем при отстаивании или сепарации.  
Недостатки. Проблематично использовать фильтрацию с намывным слоем, если целевым продуктом является сама биомасса или внутриклеточные продукты из нее. Даже если целевой продукт находится в фильтрате, возникает проблема утилизации загрязненного биомассой порошка. Скармливать животным перлит, диатомит нежелательно. Регенерировать порошки отжигом биомассы в печах можно, но это энергоемко и при этом часто нарушаются фильтровальные свойства порошков. Если использовать более мягкие порошки (отруби, древесную муку), то осадок с биомассой можно использовать как корм. Однако эти порошки имеют худшие фильтровальные свойства.  
Осветляющие фильтры. Эта модификация служит для отделения твердой фазы от суспензий, содержащих малое количество твердых частиц. Но и это малое количество в готовом продукте или полупродукте иметь нежелательно.  
Мы ранее уже говорили о ситовых фильтрах  (размеры пор меньше размеров твердых частиц). Вот такие фильтрьг здесь чаще всего и применяются — другие не работают: слишком долго приходится ждать, когда твердые частицы образуют слой осадка. Обычно используют пластинчатые фильтры: микрофильтрацион ные, если размеры частиц 0,1—10 мкм,  ультрафильтрационные если размеры частиц 10—100 нм.  
Мы уже упоминали о недостатках обычного способа ситовой фильтрации, при которой направление потока жидкости перпендикулярно фильтровальной перегородке (или совпадает с направлением фильтрации).  В этом случае довольно быстро происходит забивание пор перегородки твердыми частицами осадка, и скорость фильтрации сначала уменьшается, а затем фильтрация и вовсе прекращается. Регенерация забитых мембран довольно сложна.  
Этих недостатков лишены фильтры, в которых направление потока жидкости параллельно фильтровальной перегородке (перпендикулярно направлению фильтрации).  В этом случае значительно снижается опасность забивания пор фильтровальной перегородки.