Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, клетки растений, животных и человека, биогенные вещества. Диапазоны распространяются от вирусов до человека. Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистка, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул. Следует учитывать, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными и для микробов-контаминтантов или загрязнений. Представителями контаминирующей микрофлоры оказываются вирусы, бактерии, грибы, которые находятся в культурах растительных и животных клеток. Здесь микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. Так при использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном состоянии от сапрофитной микрофлоры, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне, следствие негерметичности. Независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией.
В биотехнологии существуют свои специфические методы:
• крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом непрерывном режиме.
• выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.
Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальных оборудованиях-ферментаторах.
Биотехнологические процессы отличаются от химических процессов: во-первых, главными компонентами являются какой-либо биообъект (вирус, бактерии, грибы). Такие объекты отсутствуют в хим. технологии. Высокие температуры неприемлемы в биотехнологии, давление. Биотехнологические процессы подразделяются на биологические, биохимические, биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот, вторые - на использовании ферментов, третьи - на химическом синтезе.
Многие процессы биологической технологии являются общими (показательно на аппаратурном направлении, на выборе биореакторов).
Специальные - которые имеют свои специфические особенности (т.к. выращивание пеницилина, культивирование вирусов гриппа на куриных эмбрионах). С учетом этого все биотехнологические процессы делятся на микробиологические, фито- зообиотехнология.
Процессы в биотехнологии. -
Биотехнологические процессы условно подразделяются на биологические, биохимические, биоаналогичные.
К биологическим относят те, которые основываются на использовании прокариот и эукариот, акориоты (аблигатные паразиты, которые развиваются лишь в живых клетках и тканях - бактериофаги, вирусы растений, млекопитающих).
Вторые- на использовании ферментов.
Третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, которые функционально близки к процессам живых организмов (получение пеницилина, нуклеиновых кислот).
По условиям проведения процесса различают нестерильные (крупнотонажное производство кормовых дрожжей) и стерильные (получение антибиотиков, витаминов): аэробные и анаэробные.
Процессы проводят в одном из 3 режимов:
• периодическое
• полунепрерывное;
• непрерывное.
При периодическом режиме процесс проводят от начала до конца по регламенту, после завершения всех операций его повторяют.
При полунепрерывном режиме осуществляется отливно-доливной процесс, когда на "пике" биосинтеза какого-либо антибиотика отбирают 30-70% культуральной жидкости и одновременно (однократно) добавляют свежей питательной среды.
При непрерывном режиме процессы рассчитаны на непрерывный отбор культуральной жидкости и непрерывное добавление свежей питательной среды. Применительно к фазовому состоянию ингридиентов на биотехнологических производствах различают твердофазные процессы (получение грубых кормов или производство сыра из белков молока) и газофазные процессы, которые основаны на использовании газа (метана для получения микробного белка).
По условиям проведения процессов выделяют:
1) одноступенчатые;
2) двухступенчатые:
3) многоступенчатые.
Одноступенчатые процессы базируются на использовании клеток, находящихся в одном фазном состоянии.
Двухфазном - в разном фазном состояниях.
Многоступенчатые - присуще генетической инженерии.
Для выращивания микроорганизмов были предложены типы биореакторов: конструкции у них в основном были сходны. Их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов).
Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них. При конструировании биореакторов учитывается время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.
Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте и составляет 1:2 до 1:6. Универсальными являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания:
• газовой фазой (ФГ)
• жидкой фазой (ФЖ)
• газовой и жидкой фазами (ФЖГ)
Примером аппарата группы газовой фазой может быть ферментатор с эрлифтом
В аппарате отсутствует механическое перемешивание, здесь проще поддерживать асептические условия. Воздух для аэрации подается по трубе который расположен вертикально в ферментаторе. Аэратор, который обеспечивает движение выходящего воздуха, расположен в нижней части диффузора и насыщает питательную среду воздухом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору и перемешивается через верхние края. Часть воздуха уходит из аппарата, а более плотная среда опускается вниз в кольцевом пространстве между корпусами ферментатора и диффузором.Так происходит многократная циркуляция среды в ферментаторе. Для отвода биологического тепла внутри ферментатора установлен змеевик, аппарат также снабжен секционной рубашкой. В производстве кормового белка широкое распространение получили ферментаторы с самовосстанавливающими мешалками из группы ФЖ -жидкой фазой. Ферментатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообменными и аэрирующими устройствами. Теплообменные устройства выполняют в виде трубок, которые установлены в трубных решетках.
Ферментаторы периодического действия из групп (ФЖГ) - газовой и жидкой фазы применяются для получения антибиотиков, витаминов. Конструкция этого ферментатора обеспечивает стерильность ферментации длительное время. Это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим днищем, имеющий аэрирующий, перемешивающий и теплопередающий устройства. Воздух для аэрации поступает в ферментатор через барботер. Отверстия в барботере направлены вниз, барботер должен соответствовать диаметру мешалки. Эффективность работы ферментатора определяется интенсивностью перемешивания. Перемешивающие устройства служат для сохранения температуры во всем объеме аппарата, своевременному подводу продуктов питания к клеткам и вывода продуктов метаболизма. Для культуральных жидкостей с высокой степенью вязкости эффективными являются открытые турбинные мешалки с шестью лопастями.
Важным элементом в ферментаторах являются теплообменные устройства. Применение концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание - все это сказывается на возрастании тепловыделений и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы имеют секционные рубашки снаружи, а внутри аппарата - четыре змеевика. Общая продуктивность процесса в биореакторе определяется количеством целевого продукта в ЕД активности или в кг, получаемого с 1м3 ферментационной емкости в час. Расчет ведут отдельно - для периодического и непрерывного процесса. Общую продуктивность для непрерывных процессов определяют в установившемся режиме, а для периодических процессов и полунепрерывных - с учетом времени на подготовку ферментатора к работе.
Объемная продуктивность процесса - это количество целевого продукта в ЕД активности или в кг, получаемое с 1м3 питательной среды в час.
Выход продукта от субстрата - это количество целевого продукта в ЕД активности или в кг, полученное из 1 кг компонента ферментационной среды, являющегося энергоносителем.
ЗНАЧЕНИЕ АСЕПТИКИ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Биотехнологические процессы в основном проводят в асептических условиях. Асептика - это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение попадания в среду посторонних веществ.
Использование асептики в биотехнологии предполагает использование биообъекта (может быть и микробы) и полное исключение попадания других микроорганизмов.
Асептика включает в себя:
- влажную уборку помещений; обработку антисептическими веществами, ультрафиолетовое облучение, использование стерильных инструментов; подача стерильного воздуха в ферментаторы и др.
Существует механическая, физическая и химическая защита биообъекгов. К механической защите относятся: удаление механических примесей (например, из воздуха культиваторов с помощью фильтров).
К физической - обработка воздуха и поверхностей приборов ультрафиолетовыми лучами, кипячение, стерилизация, обработка ультразвуком.
К химической - обработка поверхностей химическими антисептиками.
В производстве источниками микробов - контаминантов могут быть почва, вода, воздух, человек. Из почвы микробы - контаминтанты такие как актиномиценты, палочки - бациллы попадают в биотехнологические процессы. С пылью они могут попасть в воздух.
Люди, которые заняты в биотехнологическом производстве, могут быть источником контаминирующей микрофлоры. Но на поверхности кожи в среднем сосредоточено до 10'° микробных клеток. Наиболее загрязненными являются кисти рук, подошвы, локти, шея. Многочислена микрофлора ротовой полоста:
бактериальные коковые формы, вибрионы. Здоробый человек за одно чихание выделяет до 20000 микробных клеток, которые распространяются до 1,5 м.
Источником микробов - контамининтов могут быть и компоненты питательных сред (фаги, дрожжи). Микробы контаминанты не только могут подавать развитие и функции био-объекта, но и дезорганизовать какую-либо ткань. Они способны продуцировать токсические вещества.
Рассмотрим виды защиты биотехнологических, процессов от микробов-загрязнителей.
I. Защита с помощью различных фильтров (мембранных фильтров).
Промышленные фильтры начались выпускаться в 40 годах прошлого столетия. Распространенными процессами фильтрации являются:
• обычная фильтрация;
• микрофильтрация;
• диализ (обратный осмос).
Для м.. обычной фильтрации применяются обычные бумажные или стеклянные фильтры. Отделяемые частицы находятся в пределах от 1 до 103 мкм. Для остальных типов используют нитроцеллюлозные, ацетиллцелюлозные, поливинильные, полиамидные мембраны с толщиной менее 0,1 мкм, с высокой степенью пористости.
Для микрофильтрации отделяемые частицы размерами 210-3 -10 мкм,
Для ультрафильтрации размеры отделяющихся частиц находятся в пределах от 0,001 до 0,02 мкм. При диолизе размеры отдельных частиц должны быть равными с молекулами растворителя (10 -3 мкм и менее - до 1 нм.).
При стерилизации растворов фильтрованием они должны содержатся перед разливом и при последующем разливе в антисептических условиях. И время между началом приготовления раствора и его стерилизацией должно быть минимальным.
2. Метод защиты - стерилизация.
Питательная среда перед засевом каким-то биообъектом должна быть стерильной.
В биотехнологии используют методы периодической и непрерывной стерилизации.
Периодическая стерилизация осуществляется в аппаратах малой емкости непосредственно в ферментаторах или паром под давлением в течение 30-40 мин при температуре 134°С после удаления воздуха из аппарата при нагреве до 100°С. Затем среду охлаждают водой через змеевик и засевают биообъектами.
Метод непрерывной стерилизации основан на том, что концентрат питательной среды подают насосом через систему конструкций (который включает нагреватель, выдерживатель (соо6ственно стерилизатор) и теплообменник (где происходит охлаждение). В некоторых условиях стерилизацию питательных сред осуществляют в автоклавах. Стерилизацию проводят паром под давлением.
Кроме тепловой стерилизации используют еще холодную химическую стерилизацию, (это когда материалы не могут подвергаться тепловой стерилизации) или газовую стерилизацию этиленоксидом (температура кипения +12, +12,5С).
Все биотехнологические производства по их направленности делятся на две группы. Первая преследует цель получения максимально возможных количеств биомассы, а вторая - максимум выхода продуктов жизнедеятельности клеток (метаболитов). В первом случае -это могут быть живые клетки (например, хлебопекарные дрожжи), биомасса нежизнеспособных клеток как источник кормового белка, витаминов, споры с токсинами (препараты для защиты растений от вредителей). Во втором -органические кислоты, ферменты, аминокислоты, антибиотики. При этом клетки продуцента являются отходом производства, требующим утилизации.
Несмотря на различные цели, общая схема биотехнологического производства в обоих случаях может быть представлена в виде пяти основных стадий:
подготовка питательной среды для культивирования промышленного микроорганизма;
получение чистой культуры для внесения в основной аппарат - фермен тер;
основная ферментация;
выделение и очистка конечного продукта;
получение товарных форм препарата.