Вопрос №3. Типовая схема и стадии БТ производства

Продукты биотехнологии получают по индивидуальным схемам со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами. Тем не менее можно представить себе обобщенную типовую схему биотехнологических производств. Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательно превращается во всё более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт.

Подготовительные стадии

Подготовительные стадии служат для приготовления необходимого сырья биотехнологической стадии.

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, обеспечение требуемой температуры, очистке от присутствующих микроорганизмов, включая споры.

Подготовка посевного материала. Очевидно, для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изолированных клеток растений и 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 подготовить биокатализатор – либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу, выращенную до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность.

Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает на производство в виде, непригодном для непосредственного использования в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают осахариванию, после чего осахаренное сусло на биотехнологической стадии ферментируется в этанол. Другой пример – использование древесины для получения дрожжей. Древесину измельчают, а затем подвергают нагреву до 200⁰С в кислой среде. В результате процесса кислотного гидролиза происходит превращение древесины в раствор глюкозы и лигнин. Раствор глюкозы (гидролизат) как раз и используется на биотехнологической стадии для получения кормовых дрожжей.

Биотехнологическая стадия

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья с тот или иной целевой продукт. Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества. Однако биотехнологическая стадия включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов.

Ферментация – процесс, осуществляемый с помощью культивирования микроорганизмов.

Биотрансформация – процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов и готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопление клеток, а химическая структура вещества меняется незначительно. Вещество на этой стадии уже почти готово, биотранформация осуществляет его модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т.п.

Биокатализ – химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов – ферментов.

Биоокисление – переработка загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или их ассоциации в аэробных условиях.

Метановое брожение – переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование – снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения доступа воздуха и увлажнения.

Биосорбция – сорбция вредных примесей из газов и жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание – процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворимое состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация – деструкция вредных соединений под действием микроорганизмов-биодеструкторов.

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один – жидкостной. В случае если процесс протекает в твердой фазе (например, созревание сыра, биокомпостирование отходов), выходом является поток переработанного твердого продукта.