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

24 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

38553. Информационное и программное обеспечение для решения задач автоматизации хранения и обработки информации при организации работы парабанковского предприятия 2.58 MB
  Объединение компьютеров в сети позволило значительно повысить производительность труда. Именно здесь происходит соединение трех основных элементов этого процесса и достигается его главная цель производства предметов труда оказание услуг либо техникоэкономическое обеспечение и управление этими процессами. От того как организованы рабочие места во многом зависит эффективность использования самого труда орудий и средств производства и соответственно производительность труда себестоимость выпускаемой продукции ее качество и многие...
38554. Процесс взаимного формирования массовой культуры и социума, состоящего из потребителей продуктов этой культуры 55 KB
  Таков социальнопсихологический аспект механизма потребления производства медиапродукта.Достижения этой индустрии сегодня позволяют продюсерам не только быть посредниками между интересами потребителей и творчеством производителей но и с одной стороны формировать эти интересы а с другой создавать медиапроекты являющиеся оптимальными для конкретной социальной коньюктуры духовными продуктами. Медиапродукт является необходимым товаром и в то же время способен сам коррегировать количественную и качественную степень необходимости...
38556. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОММУНИКАТИВНОЙ ПОЛИТИКИ ПРЕДПРИЯТИЯ (на примере ООО «Фудсервис ЛТД») 4.85 MB
  Конкурентное окружение компании и использование коммуникаций в конкурентной борьбе. В условиях рыночных экономических отношений торговопосреднические компании играют огромную роль влияя на всю систему распределения товаров от производителей к розничным покупателям. Так как эффективность работы и конкурентоспособность торговопосреднической компании всецело зависит от успешного взаимодействия с различными рыночными субъектами: производителями розничными продавцами и покупателями то особую важность приобретает построение...
38557. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И АППАРАТУРНЫХ СХЕМ ПРОИЗВОДСТВА И ОТДЕЛЬНЫХ СТАДИЙ ПРОЦЕССА 2.81 MB
  Точки контроля Норма частиц в 1 литре воздуха Из заборной шахты 1000030000 После висциносного фильтра 750025000 Перед головным фильтром 20006000 После головного фильтра 4001200 После индивидуального фильтра Не более 10 Стерильность воздушность систем проверяют ежедневно с помощью чашек Петри или путём прохождения воздуха из продувок коллектора через стерильный фильтрик заполненный углём или пропускают через стерильный мембранный фильтр с последующим пересевом на мясопептонные среды. Готовят 2 среды контрольную и опытную в которой один...
38558. ВПЛИВ ПОСТІЙНОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ 12.58 MB
  Вплив постійного магнітного поля на структуру і електричні властивості полімерних композитів. Досліджено сплив постійного магнітного поля ПМП на електричні властивості композиту на основі утвореної поліуретанової матриці з наповнювачем феромагнітним оксидом заліза Fe2O3 показано що під впливом постійного магнітного поля композиція набуває упорядкованої структури з анізотропними властивостями а саме зміна діелектричної проникності яка залежать від напрямку ПМП. Влияние постоянного магнитного поля на структуру и электрические свойства...
38559. Модифікація гена kanMX4, що забезпечує резистентність до антибіотика генетицину 1.36 MB
  Це у значній мірі відбувається тому що клітинний цикл та фізіологічні процеси клітин дріжджів дуже подібні до відповідних процесів людських клітин і тому основні клітинні механізми реплікація ДНК рекомбінація поділ клітини і метаболізм мають багато спільних рис. пар основ плазмідної ДНК яку в деяких штамах складають кіллерні плазміди; мітохондріальний геном 75 тис. Отримані гелі можуть бути використані для проведення Саузернблот аналізу що супроводжується гібридизацією або для ізоляції хромосомної ДНК в чистому вигляді. Досить...
38560. Связь социально-психологической адаптации студентов с тактиками самопрезентации 492.5 KB
  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ СТУДЕНТОВ АНАЛИЗ ДАННЫХ ЭМПИРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ [1.5] ПРОГРАММА ЭМПИРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ [1.
38561. Описании языковой картины мира (ЯКМ) субъекта делового текста (завещателя) на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII веке 239.5 KB
  Теоретические аспекты субъекта текста. Проблематика выпускной квалификационной работы состоит в описании языковой картины мира ЯКМ субъекта делового текста завещателя на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII в. Исследования такого типа актуальны потому что они позволяют через лексическое значение слов выявить влияние культурного контекста на лексику особенности социальноэкономической и духовной культуры поморов XVIIXVIII вв. разработать методику лингвокультурологической обработки исследуемого материала и...