71126

Классификация биотехнологических производств по технологическим признакам

Лекция

Производство и промышленные технологии

Основные характеристики процесса ферментации при глубинном культивировании С точки зрения проектирования и методики расчета оборудования наибольшее значение в биотехнологии имеет классификация процессов по способу организации: 1 периодические; 2 непрерывные; 3 многоциклические...

Русский

2014-11-02

1.95 MB

27 чел.

Лекция 1

Классификация биотехнологических производств

по технологическим признакам

Биотехнологические методы применяются в химической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности в основе общего технологического признака биотехнологических производств является родственность процессов и оборудования.

Биотехнологические производства делятся на две большие группы.

1. Некоторые пищевые производства по переработке с/х сырья, например, бродильные (пивоварение, виноделие, хлеб и др.). Здесь не культивируются большие массы м.о. Биотехнологическим является какая-либо отдельная стадия процесса. Специфическое оборудование имеет малый удельный вес.

2. Производства, где культивирование м.о. является основной целью. Они делятся на две подгруппы.

2.1. Многотоннажные производства, в которых получают большие количества биомассы м.о. (дрожжи), органических кислот или спиртов. Здесь используется, в основном, глубинный метод культивирования. Высокая степень асептики не требуется, т.к. вероятность проникновения посторонней микрофлоры незначительна. Условия культивирования  – температура, рН, состав (кислоты и спирты – до 5-10%, в производстве дрожжей – у.в. нефти) затрудняют рост посторонних м.о. Часто используются анаэробы и анаэробные способы культивирования, которые не способствуют развитию большинства патогенных микробов.

В этих производствах не требуется надежная стерилизация, тонкая очистка воздуха, герметизация и стерилизация оборудования.

Конечные продукты стабильны, и зачастую их выпускают в жидком виде без применения распылительной сушки, иногда применяется тепловая обработка.

2.2. Производства тонкого микробиологического синтеза с получением бактериальных препаратов и веществ со сложной структурой – антибиотики, ферменты, а.к., витамины, гормоны, вакцины и т.п.

Здесь основной стадией является выращивание м.о.

Особенностью этих производств является глубинное культивирование и повышенные требования к защите рабочей среды от проникновения посторонней микрофлоры. Это объясняется тем, что условия культивирования являются оптимальными для большинства представителей данной микрофлоры (рН 6,2-7,2, 25-35°, среды содержат у.в., белки и другие питательные вещества).

Продуцентом является не смесь, а индивидуально подобранный штамм.

Здесь высокие требования к герметизации и стерилизации оборудования.

Для выделения и очистки используют ряд сложных методов – экстракция, полный обмен и др. Особые требования предъявляются также к расфасовке и хранению продукции, которая выпускается обычно в сухом виде, поскольку продукт нестоек.

В то же время оборудование данной группы производств без существенных переделок легко приспосабливается под выпуск другой продукции.

Требования к асептике постоянно растут.

Особенности основной и звключительных стадий биотехнологического производства

Технологические процессы в биотехнологических производствах – такие же, как и в химических – массообменные, теплообменные, гидрохимические и механические. Но все они осложнены биологическим фактором.

Важнейшие аспекты биологического фактора заключаются в следующем.

1. Биологическим системам присуще саморегулирование, направленное на ускорение роста.

2. Клеточные м.о. имеют общий химический состав, который включает три класса сложных макромолекул – ДНК, РНК и белки.

3. Внутриклеточные процессы протекают с участием специфических белковых катализаторов-ферментов.

4. Вследствие малой концентрации ферментов ограничены возможности стимулировать рост м.о. путем увеличения концентрации субстрата.

5. На всякое внешнее воздействие в клетках возникает реакция, направленная в сторону, благоприятную для жизнедеятельности и на снятие воздействия.

6. Биологическая система развивается, ее состав и потребности меняются, необходимо постоянно регулировать условия ферментации.

7. Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, обладает сложными свойствами. Может переносить вещества как по градиенту, так и против градиента концентрации. Это затрудняет регулирование.

Все это объясняет, почему в биотехнологических производствах наряду с разработкой и созданием специального оборудования широко используется типовое химическое.

При проектировании новых биотехнологических производств решаются две задачи:

• масштабирование – расчет оборудования на основании данных, полученных в лабораторных условиях и на опытно-промышленных установках;

• оптимизация – выбор наиболее выгодного варианта схемы, режима, типа оборудования.

В научных исследованиях, проектировании и на производстве специалист должен знать закономерности и кинетику процессов, методы расчета и главные принципы аппаратурного оформления.

Основные характеристики процесса ферментации при глубинном культивировании

С точки зрения проектирования и методики расчета оборудования наибольшее значение в биотехнологии имеет классификация процессов по способу организации:

1) периодические;

2) непрерывные;

3) многоциклические;

4) объемно-доливные;

5) периодические с подпиткой субстрата;

6) полунепрерывные с подпиткой.

1) Периодический процесс: загрузка сырья и посевного материала производятся единовременно, затем некоторое время идет процесс, после чего ферментационная жидкость выгружается.

 

 

Изменение объема жидкости во времени при периодическом процессе:

τ0 – время подготовки аппарата;

τк – время завершения процесса;

V – объем аппарата.

2) Непрерывный процесс – загрузка и выгрузка среды протекают непрерывно и одновременно с одинаковой скоростью; в итоге объем среды в аппарате не изменяется.

                                                          

3) Многоциклические процессы напоминают периодические, но при выгрузке часть жидкости остается и служит посевным материалом для следующего цикла. Добавляется свежая питательная среда.

 

                           

Стрелка вниз – загрузка питательной среды.

Стрелка вверх – разгрузка аппарата.

При такой организации не требуется приготовление посевного материала.

4) Объемно-доливные процессы – между загрузкой и выгрузкой протекают как периодические, но через некоторое время часть среды выгружают и заменяют свежей.

Интервалы между отборами здесь меньше, а число отборов больше, чем в случае (3), а отбираемая часть жидкости меньше.

Это – не строго периодический процесс, экономические характеристики по посевному материалу – лучше.

Объемно-доливной процесс ферментации. Стрелки указывают момент загрузки питательной среды.

5) Периодический процесс с подпиткой субстрата – часть среды загружается в начале ферментации, а другая – добавляется непрерывно по мере протекания процесса. Естественным завершением является переполнение аппарата. Поэтому нужно завершать процесс быстро и как периодический с максимальным заполнением.

                                 

6) Полунепрерывные с подпиткой субстрата процессы сочетают объемно-доливные и подпиточные.

По достижении определенного состояния биологической системы после подпитки, часть жидкости отбирают, а затем постепенно добавляют субстрат до нового заполнения аппарата.

 

                             

Стрелки вниз показывают моменты отбора части жидкости из аппарата.

Фазы и параметры периодической ферментации

Обозначения:

I – лаг-фаза

II – фаза ускорения роста

III – фаза экспоненциального роста

IV – фаза замедления роста

V – стационарная фаза

VI – фаза отмирания

Если бы клетки делились синхронно, кинетика описывалась бы экспонентой по аналогии с химической реакцией. Но они делятся асинхронно, и подход иной: т.к. развитие популяции ограничено ресурсами среды.

Показатели роста биомассы:

Общая скорость                                                                    (1)

Удельная , т.е. по Аррениусу                                       (2)

В экспоненциальной фазе скорость не лимитирована и μ=const.

Если бы процесс с самого начала определялся этой зависимостью, то концентрация биомассы изменялась бы, начиная с X0 по уравнению:

                                                (3)

, т.к.

Пусть при τ=0, X=X0, но если  X0, то X=X0.

После логарифмирования получаем:

Следовательно, в логарифмических координатах график прямолинейный и тангенс угла равен μ.

Другой показатель – время генерации – время, за которое биомасса удваивается. Можно показать, что:

Размерность μ – [ч-1] или [мин-1]

Для многих бактерий μ=0,5 или даже 1,0 мин-1.

Для микроводорослей, растительных и животных клеток – на уровне 0,01 ч-1.

Для грибов и актиномицетов – значения промежуточные: у психрофилов до 1 час-1, у мезофилов – до 2, у термофилов – до 3 ч-1.

Кинетика потребления субстрата.

S – концентрация субстрата

Удельная

Кинетика биосинтеза продукта метаболизма:

Обозначения:

X – концентрация биомассы, г/см3

x – координата

P – концентрация продукта метаболизма

S – концентрация субстрата

Q x – скорость прироста биомассы 

q – удельная скорость прироста биомассы (прирост на единицу биомассы)

τ  время

Qp – скорость образования продукта метаболизма

qp  –  удельная скорость образования продукта метаболизма

Qs – скорость потребления субстрата

qs – удельная скорость потребления субстрата


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34320. Утилизация отходов как основа безотходных и малоотходных технологий 22.5 KB
  Важно максимально использовать отходы тогда снижается использование материалов и расход энергии. Эти предприятия можно будет закрыть если мы научимся использовать отходы. Отходы изношенной футеровки при кладке печей. Отходы микробиологической промышленности: основной лигнин до 1 т в год.
34321. Отходы химической промышленности и способы их утилизации 21.5 KB
  Отработанные масла используют для производства бетонов битума т. Также используется для производства гипсокартонных листов для изоляции. Основной проблемой переработки отходов калийного производства является переработка природного сырья сильвинита KCLNCLнерастворимый осадок KCL полезный компонент который используется в качестве удобрения. Утилизация галита: закладка шахтного производства готовиться суспензия галит вода её под давлением в 20 атмосфер закачивают в место выработки.
34322. Отходы деревообрабатывающей и гидролизной промышленности и способы их утилизации 24.5 KB
  Переработка леса это не только переработка древесины как сырья: технологии рубок транспортировка хранение древесины лесопиление т. В результате неправильной эксплуатации леса может усилиться эрозия увеличиться заиление водных объектов нарушиться гидрологический режим что приведет в свою очередь к усилению паводков нехватке воды и деградации водных экосистем произойдет сокращение генетических ресурсов обострятся социальноэкономические проблемы. Вторичные леса то есть леса появившиеся на месте вырубленных первичных лесов...
34323. Влияние промышленных и бытовых отходов на экономию 24.5 KB
  продукты отходы пром. По физическому состоянию отходы делятся на 3 группы: при сжигании твердого топлива золы из неоплавленных. Отходы легкоплавкие до 1000 градусов среднеплавкие 10001300 и тугоплавкие 1300 и более. Отходы используют как пластифицирующие добавки в битумное прово что увеличивает прочность материала в 2 р.
34324. Вторичное сырье и его классификация 24.5 KB
  продукты отходы пром. По физическому состоянию отходы делятся на 3 группы: при сжигании твердого топлива золы из неоплавленных. Отходы легкоплавкие до 1000 градусов среднеплавкие 1001300 и тугоплавкие 1300л более. Отходы используют как пластифицирующие добавки в битумное прово что увеличивает прочность материала в 2 р.
34325. Возможные способы утилизации и использования вторичного сырья 23 KB
  фосфогипс этот отход производства фосфорных удобрений выбрасывается на свалку хотя мог бы использоваться для получения вяжущего гипса цемента в строительстве многоэтажных зданий можно перерабатывать в строительный гипс может также использоваться при производстве гипсокартонных листов для изоляции стеновых плит перегородок в производстве серной кислоты и CO известь. Испся как добавка в произве аглопарита можно вводить в состав керамической массы для произва кирпича до 8 отходы черной металлургии: образуются доменные...
34326. Комплексное использование сырья 22 KB
  Комплексное использование сырья. Комплексное использование сырья достигается обогащением сырья а также разнообразной химической переработкой сложного сырья с последовательным выделением компонентов в виде ценных продуктов используемых в различных отраслях народного хозяйства что приводит к комбинированию различных прв. Обогащение сырья необходимо т. 1нецелесообразно перевозить пустую породу и 2применение более чистого концго сырья позволит получить качественную продукцию которая обладает более высокой стоимостью.
34327. Экономические проблемы защиты окружающей среды. Очистка газообразных выбросов и сточных вод 24 KB
  Очистка газообразных выбросов и сточных вод. Что касается очистки то необходимым условием повышения эффективности очистки природных и сточных вод явл. Могут применяться следующие варианты обезвреживания и очистки сточных вод: очистка и повторное использование воды; обезвоживание ила и шлама; выпаривание сточных вод; осаждение фильтрование твердых частиц; нейтрализация кислых или щелочных сточных вод; использование очищенных сточных вод в сельском хозяйстве; денитрификация сточных вод. Механические заключаются в отстаивании и...
34328. Технологическая блок-схема и пооперационная структура 21 KB
  Технологическая схема прва состоит из отдельных операций через ке проходит сырье для получения продукта. Все процессы взаимосвязаны между собой и направлены на изготовление конечного продукта. Для получения конечного продукта могут быть и другие схемы но здесь важно с экономической точки зрения оценить в кой схеме мы имеем больше выгоды.