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

16 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

81123. У царстві рослин 44.5 KB
  Мета: ознайомити учнів із розмаїттям рослин; формувати поняття дерева кущі трав’янисті рослини; вчити визначати плоди дерев; розвивати у дітей активне спостереження; виховувати любов до природи бажання охороняти і примножувати її красу.
81124. Погода в рідному краї в різні пори року. Предбачення погоди за народними прикметами 51.5 KB
  Мета: продовжувати формувати поняття Твій рідний край; сформувати поняття про погоду в рідному краї; ознайомити учнів із процесом утворення вітру; збагатити уявлення дітей про опади; наголосити на значенні прогнозу погоди для людини; розвивати пізнавальний інтерес, спостережливість...
81125. Лялька мотанка «Дзвіночок» 39 KB
  Обладнання: Шматки тканини круглої форми і різного розміру (одна менше другої), резинки для скручування, газета,шматок тканини білого кольору прямокутної форми, шматок тканини трикутної форми різного кольору. Ляльки для демонстрації: обрядові – 3 штуки, інші – 4 штуки.
81126. Шов «вперед голку», його призначення, прийоми виконання. Оброблення швом серветки 43 KB
  Мета: навчити виконувати шов вперед голку та оздоблювати ним виріб з тканини розвивати увагу мислення виховувати естетичні смаки культуру праці любов до матері націлювати шанобливе ставлення до професії вишивальниці та швачки. Чи хочете ви так навчитись шити і вишивати?
81127. Українська хата. Обереги 73 KB
  Мета: навчити розрізняти давню українську хату від будинків сьогодення; розширити і поглибити знання дітей про особливості українського інтер’єру значення оберегів; розвивати мовленнєві уміння збагачувати словниковий запас засвоїти назви предметів українського побуту...
81128. Безопасное поведение дома. Пользование бытовой техникой. Причины возникновения пожаров, аварий. Осторожное отношение к лекарствам 61 KB
  Цель: обобщить и систематизировать знания детей о поведении в чрезвычайных ситуациях; научить учащихся действовать в экстремальных ситуациях; работать с памятками безопасного обращения с огнем, электроприборами, лекарствами, газом, поведения в ситуации «Один дома»...
81129. Человеческие добродетели. Добро начинается с тебя 43 KB
  Цель: продолжить знакомить учащихся с человеческими добродетелями; учить характеризовать действия и явления как проявление добра и зла; раскрыть моральное содержание доброты; воспитывать чувство доброты сопереживания щедрости.
81130. Зима щедра святами 49 KB
  Бесіда Які свята ми святкуємо взимку Якого свята чекаєте з нетерпінням Чому Вірш учень 1 Хоч рік Новий іще не близько Хоч холодно надворі й слизько Та до нас вже скоро Миколай прийде до школиІ принесе усім гостинці Та подарунки у торбинці. Бесіда Яке свято приходить у кожен дім разом з ялинкою?
81131. Надзвичайні ситуації. Дитина та аварійна ситуація 44.5 KB
  Мета: узагальнити знання учнів про аварії, їх негативний вплив на життя людини; навчити правил поведінки під час аварій на підприємствах; виховувати самодисципліну, рішучість, милосердя. Обладнання: зошит, підручник, картки, мультімідійна дошка.