Материал: 69.24

5. СТАДІЇ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

Стадії основного технологічного процесу починаються з отримання посівного матеріалу, продовжуються у вигляді промислового біосинтезу і закінчується виділенням та стандартизацією готового продукту.

5.1. Проектування відділення біосинтезу

Найбільш складною і відповідальною ділянкою біотехнологічного виробництва є стадія біосинтезу, основною метою якого є отримання максимальної кількості цільового продукту у межах генетично детермінованих властивостей біологічних агентів, за рахунок оптимізації факторів оточуючого середовища. В умовах промислового виробництва оточуюче середовище штучно створюється в спеціальній апаратурі– ферментері (біологічному реакторі). В загальному вигляді ферментер виконує дві функції– здійснює транспортні, масообмінні процеси, а також функціонує як теплообмінник. По сутності процесів, що протікають в ферментері він відноситься до біологічних систем, але конструктивне оформлення реалізується, як для звичайного хімічного реактора. Це реальне протиріччя може бути ліквідоване тоді, коли при виборі, проектуванні та оптимізації роботи ферментера конструктор буде виходити з фенотипічних оз-

конструюванні або виборі типового ферментера необхідно виділити слідуючи: - гідродинамічна обстановка в ферментері повинна забезпечити одночасну реалізацію масопереносу в двох-(поживне середовище – клітини біологічного агента, трьох- ( газ – поживне середовище - клітини біологічного агента), і чьотирьохфазних ( газ – поживне середовище – клітини біологічного агента – не-

розчинний або слабо розчинний субстрат) системах;

-негативний вплив турбогіпобіозу (зрізових зусиль) на суспендовані клітини або на клітинні агломерати, найбільш вразливі до зрізових зусиль клітини міцеліальних грибів, клітини тварин та клітини рослин;

-широкий спектр діапазонів швидкостей росту, час генерації знаходиться в діапазоні від десяти хвилин до декількох діб;

-значна кількість біологічних агентів висуває високі вимоги до рівня асептики в процесі культивування;

-при культивуванні аеробних біологічних агентів єдиним економічно доцільним джерелом кисню є повітря, при цьому виникає ряд обмежень в процесі масопередачі на фазових переходах газ– культуральна рідина та культуральна рідина – клітина;

-процеси біосинтезу супроводжуються інтенсивним піноутворенням,

76

-інтенсифікація біотехнологічних процесів несуттєво залежить від

умов диспергації фаз утворення потоків, рівень сегрегації поживного середовища можна реалізувати тільки для конкретних груп апаратів.

На сьогоднішній день відома значна кількість класифікацій ферментерів в

гідродинамічні та масообмінні показники. Існують три основні засоби введення енергії в поживне середовище (рис 5.1.).

В основі проектування відділення біосинтезу, під час попереднього вибору ферментеру користуються схемою у відповідності з якою ферментери розділені по принципу введення енергії у культуральну рідину і ця класифікація орієнтована на виробництво мікробного білку(кормового білку). Запропонована класифікація орієнтована на аеробні процеси, як найбільш поширені в

зовим ефектом є швидкість сорбції кисню кгО2 / м3 год Кl a (Kv а).

Висновки з представленої схеми: Для ферментерів 1 групи Kv а£4,0-4,5.

Ферментери з введенням енергії газовою фазою придатні для культивування бактерій та дріжджів.

Для ферментерів 2 групи Kv а³5,0-6,0, максимальний рівень турбогіпобіозу.

Для ферментерів 3 групи Kv а може приймати будь-яке значення, але ці апарати як правило використовують для процесів де потрібний мінімальний рівень турбогіпобіозу.

В основі проектування відділення біосинтезу, під час попереднього вибору ферментеру користуються схемою у відповідності з якою ферментери розділені по принципу введення енергії у культуральну рідину і ця класифікація орієнтована на виробництво мікробного білку(кормового білку). Запропонована класифікація орієнтована на аеробні процеси, як найбільш поширені в

біотехнології і вибір враховує інтенсивність масопередачі кисню у вигляді об’ємного коефіцієнту масопередачі. Представлена система класифікації враховує ефекти, що виникають при введенні визначеної кількості енергії. Базовим ефектом є швидкість сорбції кисню кгО2 / м3 год Кla (Kv).

Висновки з представленої схеми: для ферментерів 1 групи Кv ≤ 4.0-4.5.

77

Ферментери з введенням енергії газовою фазою придатні для культвування бактерій і дріджів.

Рис.5.1. Схема класифікації ферментерів для аеробного біосинтезу

апарати як правило використовують для процесів де потрібний мінімальний рівень турбогіпобіозу.

78

Ця класифікація придатна для рідкофазних аеробних або анаеробних біотехнологічних процесів. Недоліком цієї класифікації є те що вона не враховує ряд технологічних особливостей процесу:

-рівень асептики;

-вид технологічного процесу – періодичне, напівбезперервне або безперервне культивування;

-рівень сегрегації фаз – використання імобілізованих клітин, біоплівок, флокул та інше.

Класифікація ферментерів за способом введення енергії дозволяє згрупувати їх в блоки для яких можна розробити єдині методики інженерного розрахунку основних конструктивних елементів і режимів роботи.

Глибинне культивування біологічних агентів є найбільш поширеним методом, який використовується в біотехнології для отримання мікробних мас та біологічно активних речовин. Ферментери для глибинного культивування дозволяють найбільш ефективно створювати оптимальні умови в оточуючому біологічні агенти просто для реалізації їх потенціальних властивостей.

Обґрунтування вибору способу біосинтезу

Процес виробництва біологічно активних речовин в тому числі і біомаси технологічно і технічно може реалізовуватися різними способами. Особливості обраних способів біосинтезу впливатимуть на хід всього виробничого процесу. Тому технологічна схема, що покладена в основу виробництва повинна забезпечувати найкраще поєднання виробничих заходів з точним дотриманням оптимальних умов проведення кожної виробничої стадії.

Культивування продуцентів продуцентів біологічно активних речовин можна здійснювати двома способами: поверхневим і глибинним.

Поверхневий спосіб вирощування Культуру вирощують в тонкому шарі пористого(сипучого) середовища з

природною або примусовою аерацією.

Спосіб не є актуальним, оскільки суттєвими недоліками вирощування поверхневим методом являються велика трудомісткість робіт, необхідність у громіздкому обладнанні, недосконала гігієна праці. При цьому отримуваний продукт часто має незадовільну якість і активність препарату, як правило, низька. У зв’язку з цим поверхневий метод отримання біологічно активних речовин витіснився глибинним.

Глибинний спосіб вирощування

При глибинному способі культуру вирощують на рідкому середовищі при перемішуванні і примусовій аерації.

Метод глибинного вирощування застосовується в двох формах: культивування в умовно-асептичних умовах та культивування в асептичних умовах.

Культивування умовно-асептичне

Посівну культуру готують в стерильних умовах, але біосинтез проводять у відкритих ферментерах. Аерація з одночасним перемішуванням досягається за допомогою перемішувачів різних конструкцій, наприклад, типу полої труби. Такий перемішувач складається з вертикальної труби, що обертається, на нижньому кінці якої є два або чотири відрізки труб скошені під кутом45° в бік,

79

протилежний напрямку обертання. Вертикальна труба відіграє роль валу і приводиться в обертання від мотора через передачу. Відрізки труб зі скошеними кінцями, обертаючись разом із вертикальною трубою, перемішують середовище, засмоктують повітря і подають його в рідину; таким чином культуральна

рідина аерується. Для нагріву і охолодження середовища в ферментерах встановлюється також змійовик з підводом у нього пари та .водиБіосинтез триває 24 - 36 годин при працюючому перемішувачі. Процес закінчується при максимальному накопиченні біологічно активних речовин; рН культуральної рідини під кінець біосинтезу досягає 6,6 – 6,8.

В процесі біосинтезу систематично відбирають проби для аналізу культури на відсутність сторонньої мікрофлори, що вказує на нормальне протікання

процесу. Наявність поодиноких сторонніх мікроорганізмів в перший період біосинтезу (до 24 год) не затримує розвиток продуцента. По мірі накопичення біомаси розвиток сторонніх мікроорганізмів пригнічується і вони зникають. Однак, якщо інфекція не зникає і залишається до кінця процесу біосинтезу, то культура вважається браком.

Асептичний біосинтез

Даний спосіб має ряд переваг, оскільки передбачає скорочення виробничих площ, виключення тяжкої невиробничої ручної праці, покращення гігієни праці, спрощення механізації та автоматизації виробництва, можливість переходу на безперервний спосіб культивування. Крім того, найбільш раціонально використовуються поживні речовини, що дає можливість значно скоротити відходи виробництва у вигляді нерозчинних осадів твердого поживного середовища, одержати продукт вищої активності.

Глибинне культивування проводять у ємностях, що називаються ферментерами. Основна вимога до ферментеру– можливість проведення процесу культивування продуцента в асептичних умовах при інтенсивній аерації середовища. У процесі культивування маємо справу зі складною трьохфазною системою рідина – тверде тіло – газ. У такій системі утруднені масообмінні процеси, і тому ускладнюється апаратурне оформлення всієї стадії вирощування.

По заповненню ферментеру середовищем і перевірці температури, котра повинна бути не вищою28°С, у ферментер із посівного апарата спускають по трубопроводу посівну культуру. Кожне місце введення посівної культури в цей трубопровід і кожний вихід з нього у ферментер захищені паровими пробками.

Після того, як внесли посівну культуру, починається процес вирощування продуценту. Вирощування проводять при постійній аерації. Повітря для аерації через трубопровід поступає на очищення у фільтр і в очищеному вигляді подається в середовище. Необхідна для вирощування температура(27 - 28°С) підтримується подачею води в сорочку чи охолоджуючі труби. Для усунення піни, що утворюється в процесі вирощування додається піногасник із дозатора.

Оскільки продуцент ферментів належить до числа аерофільни мікроорганізмів, то для їхнього нормального розвитку та функціонування необхідне підведення кисню. При глибинному вирощуванні повітря, як прави-

80