Процессы биотехнологического производства

Выделение и очистка продуктов. Одной из важных стадий биотехнологического процесса является выделение целевого продукта. Эта стадия существенно различается в зависимости от того, накапливается ли продукт в клетке, выделяется в культуральную жидкость или же продуктом является сама клеточная масса. Технология выделения и очистки в значительной степени зависит от природы целевого продукта. Ферменты выделяют путем осаждения органическими растворителями или сульфатом аммония. Имеется возможность обойтись без их полной очистки, поскольку в народном хозяйстве широко используются смешанные ферментные препараты, содержащие несколько белков, близких по физико-химическим свойствам. В то же время такие ферменты, как эндо- и экзануклеады, лигазы требует сложной многоэтапной очистки с применением методов препаративного разделения.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является разделение культуральной жидкости и биомассы – сепарация. Иногда сепарации предшествует специальная обработка культуры – изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков и флокулянтов для более эффективного отделения биомассы и стабилизации продуктов.

Существуют различные методы сепарации.

Флотация. Метод может быть применен, если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости. Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками. Повышение эффективности отбора биомассы в виде концентрированной суспензии достигается вспениванием жидкости с последующим отделением ее верхнего слоя. Флотацию широко используют как первый этап отделения дрожжевой массы для осветления культуральной жидкости.

К достоинствам метода относятся экономичность, высокая производительность и возможность применения в условиях непрерывного процесса.

Фильтрация. Все фильтры, применяемые в настоящее время, подразделяются на следующие виды: барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные, вакуум- фильтры, фильтр-прессы, мембранные. Принцип, применяемый в их действии один и тот же, он заключается в задержании биомассы на пористой фильтрующей перегородке.

Центрифугирование. Метод основан на осаждении взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Центрифугирование требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование. Поэтому оно оправдывает себя, если: а) суспензия фильтруется медленно; б) поставлена задача максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся частиц; в) необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие. Широко применяют центрифуги, где разделение твердой и жидкой фаз не связано с фильтрацией и основано лишь на центробежной силе. Используемые центрифуги различных типов, классифицируются по скорости вращения сосуда (стакана) для разделения биомассы и культуральной жидкости, по способу выгрузки осевшей биомассы и по другим критериям. Наиболее перспективны для осаждения биомассы центрифуги-сепараторы, в которых биомасса оседает на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.

Концентрирование продукта. За отделением продукта следует его концентрирование. Основные методы концентрирование биологического продукта – это обратный осмос, ультрафильтрация и выпаривание.

Если к раствору приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то растворитель вытекает через полупроницаемую мембрану против градиента концентрации растворенного вещества, т.е. происходит дальнейшее концентрирование раствора.

Ультрафильтрация – отделение вещества с помощью мембранных фильтров. Технология ультрафильтрации подкупает своей простотой, относительной экономичностью и мягким щадящим обращением с продуктом. Здесь не требуется изменение рН, ионной силы раствора или перевода продукта в другую форму. Этим объясняется перспективность ультрафильтрации для концентрирование таких малостабильных продуктов, как молочная и глутаминовая кислоты, витамин В12, некоторые антибиотики и ферменты.

Методы выпаривания предполагают концентрирование биологической массы в результате испарения растворителей. Однако они обладает очевидным недостатком: для удаления воды или иного растворителя необходимо нагревать. В производственных условиях чаще используют вакуум-выпарные аппараты, в которых и температура выпаривания и вред, причиняемый веществам, могут быть снижены в зависимости от уровня снижения давления. Перспективные методы выпаривания чувствительных к нагреванию веществ состоят в использовании дисковых и пленочных выпарных аппаратов, в которых испарение стимулируется в результате растекания жидкости тонким слоем по нагретой поверхности.

Выпаривание может быть ограничено стадией получения густого сиропообразного раствора целевого продукта. Это называется упариванием. Исчерпывающее удаление влаги ведет к получению сухого продукта, и технология выделяется в особую стадию обезвоживания продукта.

Обезвоживание продукта. Наиболее старым методом обезвоживания можно считать сушку на подносах. Для сушки термостабильных антибиотиков и аминокислот применяют ленточную сушку. В данном случае подносы заменяются на ленточный конвейер, а ленту постоянно подогревают.

Сушка в кипящем слое. Газообразный нагревающий агент (пар, воздух, СО2) мощной струей врывается в сушильный аппарат снизу, и частицы продукта биосинтеза парят в газовом потоке. Преимуществом метода является возможность регулирования в широких пределах продолжительности пребывания материала в аппарате, интенсивности массопередачи и теплообмена, возможность организовать непрерывный процесс при простой конструкции аппарата. Ограничение состоит в том, что материал не должен приставать к стенкам сушильного аппарата. Метод пригоден для сушки антибиотиков, аминокислот, крахмала, но не суспензией клеток.

Барабанные сушилки, в которых обезвоживают микробные суспензии, состоят из вращающихся подогреваемых барабанов, погруженных в сосуд с суспензией. Соприкасаясь с барабаном, суспензия нагреваясь обезвоживается и присыхает в виде пленки к его стенкам. Высохшую биомассу соскребают со стенок специальными ножами.

Особо чувствительные к нагреву материалы сушат в вакуум-сушильных шкафах при пониженном давлении и температуре.

Распылительные сушилки превращают раствор или суспензию в аэрозоль путем пропускания под давлением через форсунку на вращающийся диск.

Полученный сухой продукт после предания ему товарного вида поступает на хранение. На этом этапе возможен также вариант химической модификации.

Пути модификации продукта. Химическая модификация необходима в тех случаях, когда биотехнологический процесс сам по себе дает лишь «заготовку» целевого продукта. Так, антибиотик, продуцируемый микробной культурой, путем химических построек может быть превращен в различные медицинские препараты.

Иногда биообъект участвует лишь в одном каком-либо этапе цепи химических процессов, ведущих к синтезу целевого продукта. Например, придание продукту оптической асимметрии позволяет избежать трудоемких последующих химических синтезов.

Модификация являющаяся необходимым этапом в получении ряда ферментов, гормонов и препаратов медицинского назначении, часто играет важную роль при перестройке соединений животного, растительного и микробного происхождения, сцелью придание им специфических свойств, необходимых человеку. Так, например, «остриганием» аминокислотных остатков бычьего инсулина получают модифицированное соединение идентичное человеческому гормону.

Стабилизация продукта и его хранение.

Мероприятия направленные на сохранение свойств продукта в период его хранения и использование его потребителем, включают различные физико-химические воздействия на продукт, в том числе и стабилизацию К стабилизации различных продуктов, в том числе кормового микробного белка, ведет добавление наполнителей из грибкового мицелия, пшеничных отрубей, кукурузной муки, которые сами обладают питательной ценностью. Стабилизация, например, ферментов достигается добавлением глицерина или углеводов, которые образуют многочисленные водородные связи с аминокислотными остатками, препятствующие спонтанной или (при длительном хранении) или индуцированной нагреванием денатурации ферментов. В некоторых случаях стабилизация не обеспечивается физико-химическими средствами и представляет собой задачу особого биологического процесса. Меланж, получаемый из яичных желтков, является ценным пищевым продуктом, которым быстро портится – темнеет и теряет свою пищевую ценность через несколько месяцев хранения. Порча меланжа может быть предотвращена, если из него удалить углеводы. С этой целью на меланже рекомендуется выращивать пропионовые бактерии, «выедающие» углеводы, что приводит к значительному удлинению срока хранения меланжа. В то же время пропионовые бактерии сами повышают питательную ценность меланжа, обогащая его органическими кислотами и витамином В12.

Поддерживание биообъекта в рабочем состоянии и сохранение его ценных свойств являются важной биотехнологической проблемой. Длительное хранение клеток без утраты ценных свойств возможно, если резко затормозить все протекающие в них жизненные процессы, в том числе и генетические перестройки. Для этих целей используются следующие методы:

1.Лиофильное высушивание клеток (обезвоживание под вакуумом после замораживания при температурах (-40) – (-60)0С и ниже. Метод рекомендуется для хранения продуцентов антибиотиков. В лиофилизированном состоянии менее жизнестойкие отмирают, популяция обогащается более жизнеспособными;

2.Высушивание на воздухе в стерильной почве, песке, на активированном угле и других носителях. Применение этого метода позволяет избежать генетических изменений;

3.Сохранение спор (пригоден для спорообразных бактерий);

4.Криоконсервация – глубокое замораживание клеток с их последующим хранением в жидком азоте (-1960С) или его парах (-1500С);

5.Комбинированные методы хранения;

Для сохранения ценных свойств биообъектов проводятся следующие мероприятия:

- создаются щадящие условия в биореакторе, максимально приближенные к условиям в лабораторном культиваторе;

- применяются антимутагены – вещества, снижающие частоту спонтанных мутаций;

- испльзуются продуценты с так назыавемыми многократно выраженными мутациями;

- создаются селективные условия, в которых преимущество получает интересующий нас штамм.

К сожалению, ни один из рассмотренных методов борьбы с утратой ценных свойств биообъектов на сегодняшний день не дает 100%-ную гарантию

Литература:

Основная – 2 [82-97, 197-232.

Дополнительная – 6 [181-190].

Контрольные вопросы:

1. Основные стадии биотехнологического процесса.

2. Охарактеризуйте основные питательные среды для микроорганизмов.

3. Какие вещества применяют в качестве факторов роста микроорганизмов?

4. Аппаратурное оформление процессов приготовления питательных сред.

5. Чем отличается центрифугирование от сепарирования?

Лекция №3.