Общая характеристика биотехнологического процесса

Форма проведения лекции: лекция-консультация

План лекции

1. Основные компоненты биотехнологической системы.

2. Основные технологические стадии биотехнологического процесса.

 

1. К основным компонентам биотехнологической системы относятся: посевной материала; питательная среда, штаммы- продуценты, конечный продукт.

Характер биологической системы (микроорганизмы, клеточные линии насекомых, растений и млекопитающих, многоклеточные организмы) исключительно важен для биотехнологического процесса. Во многих случаях именно генетически модифицированная самовоспроизводящаяся биологическая единица (микроорганизм, вирус, растение или животное) является конечным коммерческим продуктом.

2. Промышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоят из трех ключевых этапов:

1. Исходная обработка: обработка сырья для использования в качестве источника питательных веществ для микроорганизма-мишени.

2. Ферментация и биотрансформация: рост микроорганизма-мишени в большом (обычно более 100 л) биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансформация).

3. Конечная обработка: очистка целевого продукта от компонентов культуральной среды или от клеточной массы (рис. 3).

Цель биотехнологических исследований – максимальное повышение эффективности каждого из этих этапов и поиск микроорганизмов, м помощью которых можно получить целевой продукт.

Наиболее трудным для оптимизации был этап биотрансформации. При использовании природных микробных штаммов выход конечного продукта часто оказывался существенно ниже оптимального. Традиционные схемы генетического усовершенствования бактерий включают скрининг, отбор и тестирование огромного количества колоний. Такие работы высокозатратны, занимают много времени и при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих, передаваемых по наследству свойств штамма, а не на расширение его генетических возможностей. И все же к концу 70-х таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целевого ряда конечных продуктов.

 

 

 

 

Конечный продукт

 

Рисунок 3 – Основные этапы биотехнологического процесса

 

Технологический процесс – это совокупность взаимосвязанных технологических операций, обеспечивающих переработку исходных материалов в готовые продукты. Для каждого процесса существует своя технология, но все стадии обычно приблизительно одинаковы:

- получение посевного материала;

- приготовление и стерилизация питательной среды;

- подготовка и стерилизация воздуха;

- ферментация и культивирование;

- отделение биомассы и выделение целевого продукта;

- очистка сточных вод и газовых выбросов.

Получение посевного материала

Посевной материал – это чистая культура, размноженная до такого количества, чтобы ею можно было засеять промышленный ферментер.

Приготовление посевного материала в зависимости от вида продукта, его физиолого – биохимических особенностей состоит из нескольких последовательных этапов: исходная культура (в пробирке) → выращивание на скошенной агаризованной среде (в пробирках) → выращивание в колбах на качалке на жидкой среде (одна - две стадии) → выращивание в посевном аппарате (инокуляторе) → накопление культуры микроорганизмов в малом ферментере → посевной материал.

Выращивание посевного материала производится по следующим стадиям:

- получение культуры микроорганизма в микробиологической лаборатории завода;

- выращивание посевного материала в малом посевном аппарате (вместимостью 300 л);

- выращивание дрожжей в большом посевном аппарате (вместимостью 3200 л);

- накопление культуры дрожжей в малом ферментаторе (вместимостью 50м³).

Первая стадия выращивания посевного материала осуществляется в заводской лаборатории. Исходную культуру размножают на скошенной агаризованной среде в пробирке в стерильных условиях при оптимальных составе питательной среды и режиме выращивания (рН_, температура, длительность).

Выращенную культуру стерильно смывают водой с поверхности агаризованной среды в колбы Эрленмейера вместимостью 750 мл, содержащие 50 - 100 мл жидкой питательной среды. Колбы с культурой помещают на качалку, которая находится в термостатируемом помещении (28 - 30°С). Перемешивание культуры, которое осуществляется встряхиванием качалки (120 - 210 об/мин), увеличивает скорость роста культуры благодаря интенсификации массообмена. Продолжительность выращивания культуры в колбах на качалке составляет 18 - 36 ч. Эту стадию выращивания необходимо контролировать по морфологическим показателями микроорганизма. Наилучшие результаты дает культура, которая находится в стадии физиологической зрелости в конце логарифмической фазы роста.

На второй стадии выращивания посевного материала готовую культуру из колб стерильно переносят в посевной аппарат (инокулятор), в который предварительно вносят питательную среду и минеральные соли в определенных количествах. Посевной аппарат оснащен мешалкой, аэрирующим устройством, а также контрольно-измерительной аппаратурой для регулирования температуры, рН, уровня пены и т. д. Объем питательной среды в аппарате не должен превышать 60 % общего объема. Важное значение имеет количество внесенного в аппарат посевного материала. При малом количестве посевного материла требуется более длительный период инокуляции. Поэтому в посевной аппарат вносят обычно посевного материала 10 - 12 % от объема питательной среды.

Во время приготовления посевного материала в аппаратах необходимо поддерживать оптимальный режим культивирования. Для контроля регулярно отбирают пробы и проводят их микробиологический и биохимический анализ.

Культивирование продолжают до тех пор, пока в среде не накопится дрожжей или других микроорганизмов 14 - 20 г/л (в расчете на сухую массу). Обычно процесс длится 12 - 14 ч.

Третья стадия культивирования посевного материала осуществляется в посевном аппарате объемом 3,2 м³. Для этого все содержимое малого инокулятора перекачивается в аппарат большего объема, в котором находится простерилизованная питательная среда. Коэффициент перехода от одного аппарата к другому зависит от конкретных условий выращивания каждой культуры микроорганизмов. Если этот переход осуществляется в фазе экспоненциального роста, то коэффициент перехода по отношению к объему следующего аппарата равен обычно 10. Процесс выращивания длится 12 - 14 ч.

Четвертая стадия процесса осуществляется в аппарате объемом 50 м³. Перед приемом дрожжевой суспензии с предыдущей стадии в аппарате готовят питательную среду путем подачи питательной среды, растворов питательных солей и микроэлементов. В микробиологической технологии требуются большие количества сжатого воздуха или инертного газа как для собственно биосинтеза, так и для вспомогательных операций. По технологическим признакам системы подготовки воздуха можно разделить на 4 группы:

- подготовка и подача воздуха на ферментацию при аэробном культивировании;

- подготовка и подача инертных газов для отвода газообразных продуктов из культуральной жидкости при анаэробном культивировании;

- подготовка и подача транспортного сжатого воздуха для перекачивания суспензий микроорганизмов из одного аппарата в другой и для пневмотранспорта сыпучих продуктов;

- очистка воздуха или смеси газов, отводимых от всех видов технологического оборудования.

Воздух, подаваемый в ферментер, выполняет несколько функций:

- снабжает микроорганизмы кислородом;

- отводит газообразные продукты обмена;

- отводит теплоту, выделяемую микроорганизмами;

- создает однородность суспензии массы микроорганизмов;

- увеличивает скорость массопередачи и перемешивания жидкой среды.

 

Контрольные вопросы

1. Каковы основные этапы биотехнологического процесса?

2. Сущность технологического процесса.

3. Функции воздуха, подаваемого в ферментер.

4. Дайте определение посевному материалу.

5. Что такое ферментация?

 

Лекция 9