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

20 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

16401. Финансовые функции Excel БС, КПЕР и СТАВКА 40.5 KB
  Финансовые функции Excel БС КПЕР и СТАВКА. Функция БС FV вычисляет будущее значение вклада на основе периодических постоянных платежей и постоянной процентной ставки. Функция БС подходит для расчета итогов накоплений при ежемесячных банковских взносах. Синтаксис: БСс...
16402. Финансовые функции Excel БЗ, КПЕР и НОРМА 60.74 KB
  Финансовые функции Excel БЗ КПЕР и НОРМА. Функция БЗ FV вычисляет будущее значение вклада на основе периодических постоянных платежей и постоянной процентной ставки. Функция БЗ подходит для расчета итогов накоплений при ежемесячных банковских взносах. Синтаксис: БЗ ст...
16403. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с по-мощью функций ЧПС, ВНДОХ и Подбор параметра 112 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с помощью функций ЧПС ВНДОХ и Подбор параметра. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают вернуть через год 2000 руб. через два года 4000 руб через три год
16404. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с по-мощью функций НПЗ, ВНДОХ и Подбор параметра 111 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с помощью функций НПЗ ВНДОХ и Подбор параметра. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают вернуть через год 2000 руб. через два года 4000 руб через три год
16405. Финансовые функции Excel ПЛПРОЦ, ОСНПЛАТ 71 KB
  Финансовые функции Excel ПЛПРОЦ ОСНПЛАТ. Рассмотрим пример вычисоения основных платежей платы по процентамобщей ежегодной платы и остатка долга на примере ссуды 100000руб. на срок 5 лет при годовой ставке 2 представленной на рисунке: Ежегодная плата вычисляется в ячей
16406. Финансовые функции Excel ПРОЦПЛАТ, ОСПЛТ 72.5 KB
  Финансовые функции Excel ПРОЦПЛАТ ОСПЛТ. Рассмотрим пример вычисления основных платежей платы по процентам общей ежегодной платы и остатка долга на примере ссуды 100000руб. на срок 5 лет при годовой ставке 2 представленной на рисунке: Ежегодная плата вычисляется в ячей...
16408. Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПС 145.5 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПС. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают возвращать по 2000руб. в течении 6 лет. Будет ли выгодна эта сделка при годовой ставке 7 В приведенно на рисунке...
16409. Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПЗ 144.5 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПЗ. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают возвращать по 2000руб. в течении 6 лет. Будет ли выгодна эта сделка при годовой ставке 7 В приведенно на рисунке...