ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.07.2019
Просмотров: 1188
Скачиваний: 4
Усі приміщення ІІ та ІІІ зон сполучаються між собою санпропускниками. Обладнання та реактиви передаються через спеціальні шлюзи. Стоки збираються у стічні ями де знешкоджуються.
2. Обробка рідких відходів у локальних станціях обробки стоків СОС.
Використовуються хімічні, фізичні методи та їх комбінація.
Використовують станції теплової обробки стоків (СТОС – УНОС-1, УНОС-5, УНОС-10) для безперервно-поточного методу теплової обробки.
ЛІТЕРАТУРА
Культивування є основною стадією технологічного процесу мікробного синтезу. Воно визначає кількісні та якісні характеристики виробництва біопрепаратів.
Під час культивування отримують: 1. біомасу та 2. продукти метаболізму, які накопичуються у середині клітини та у культуральній рідині.
Науковці вважали, що перехід від лабораторного синтезу до промислового це питання звичайного збільшення масштабу – треба більший реактор та більшу кількість середовища. Нажаль, це не відповідає дійсності.Наприклад, якщо взяти аеробні мікроорганізми, які добре ростуть у звичайній колбі на 200 мл при аерації змішувачем потужністю 300 Вт і збільшити об’єм колби до 10000 л, тоді необхідно буде взяти змішувач потужністю 15 МВт. Його двигун буде розміром з будинок, а під час перемішування виділиться стільки тепла, що мікроорганізми просто зваряться.
Ферментація – сукупність послідовних операцій від внесення у підготовлене середовище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клітин або біосинтезу цільового продукту.
Культуральна рідина - складна суміш, яка утворюється після закінчення ферментації і складається з клітин продуценту, розчину невикористаних поживних компонентів і продуктів біосинтезу.
Культивування вимагає оптимізації таких параметрів:
· Температура (інтервал робочих Т коливається 25-60оС);
· рН ( від 2до 9, з точністю до 0,2 рН);
· спосіб перемішування;
· концентрацію кисню для аеробів (розхід повітря від 0,15-до 2,5 м3/ м3 середовища /хв);
· стерильність;
· запобігання розповсюдженню мікроорганізмів-продуцентів у зовнішне середовище;
· Час культивування (для отримання біомаси -24 год, первинних метаболітів – 48-72 год, вторинних 72-144год).
Як правило оптимальні умови культивування змінюються при кожному десятикратному збільшенніоб’єму біореактору.
Промислова ферментація процес багатоступеневий
Ø Процедура розпочинається з виготовлення та стерилізації культурального середовища та обладнання.
Ø Спочатку вирощують висхідну культуру (5-10 мл)
Ø Потім інкубують її у колбі, яку струшують (200-1000мл)
Ø Після цього її переносять у ферментер для посівного матеріалу (10-100л)
Ø Потім у промисловий ферментер (1000-100000 л)
Ø Збір матеріалу
Ø Якщо продукт локалізований всередині клітини, останні руйнують та видаляють
Ø Якщо продукт секретується, його виділяють безпосередньо з середовища.
ПРОМИСЛОВЕ КУЛЬТИВУВАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ
РОЗРІЗНЯЮТЬ:
· Поверхневе- вирощування промислової культури на середовищі, яке містить тверді частки субстрату:
Ø твердофазне – мікроорганізми ростуть на поверхні щільного середовища.
Ø рідке – ростуть на поверхні рідкого поживного середовища
· Глибинне – розподіляються у всьому об’ємі, а компоненти поживного середовища надходять в результаті аерації та перемішування.
· Періодичне – мікроорганізми вирощують у стерильних умовах без додавання свіжого культурального середовища
· Безперервне – свіже культуральне середовище надходить у ферментер безперервно, паралельно відводиться така сама кількість клітинної суспензії.
· Періодичне з додаванням субстрату – до культури періодично додають поживні речовини, а культуральне середовище не видаляють до кінця культивування
· Аеробне
· Анаеробне
· Стерильне
· Нестерильне
Поверхневе культивування –. відбувається у кюветах, які виготовлені з оцинкованої жесті або нержавіючої сталі з перфорованим дном. Заповнені поживним середовищем кювети розміщують на етажерках з невеликим нахилом. Кювети об’єднують у касети. Цей спосіб не є ефективним і використовується у разі відсутності альтернативного способу культивування. Використовується для отримання деяких ферментів з грибів-продуцентів, які культивуються на нестандартній сировині – відходах. Пшеничні висівки для отримання протеаз і амілаз, солодові паростки – вітаміни та амінокислоти.
Глибинне культивування - більш ефективний вид ферментації, дозволяє виробляти на одиницю часу та об’єму більшу кількість цільового продукту.
1. Періодичне культивування залежить від кінетичної кривої росту мікроорганізмів:
Лаг-фаза – клітини адаптуються до нових умов (рН, концентраціяпоживних речовин). Ця фаза спостерігається кожен раз, якщо посівний матеріал отриманий з культури у стаціонарну фазу. Тривалість лаг-фази залежить від часу знаходження у стаціонарній фазі і від відмінностей попереднього і нового середовища.
Якщо посівний матеріал отриманий від культури у експоненціальну фазу – ріст почнеться зразу без вираженої лаг-фази.
Експоненціальна фаза характеризується діленням клітин, при цьому питома швидкість росту залишається постійною.
В результаті виснаження лімітуючого субстрату або накопичення продуктів метаболізму, які пригнічують ріст, збільшення клітин припиняється і культура переходить у стаціонарну фазу. Біомаса залишається постійною, метаболізм змінюється. В цей період синтезуються вторинні метаболіти.
Фаза відмирання – енергетичні запаси закінчуються, метаболізм припиняється. Ферментацію зупиняють у стаціонарну фазу.
2. Періодична культура з додаванням субстрату.
У ферментер періодично додають субстрат, а кінцевий продукт збирають лише по завершенню культивування. Додавання субстрату призводить доподовження експоненціальної та стаціонарної фаз, а також до збільшення біомаси та кількості метаболітів.
У стаціонарну фазу мікроорганізми синтезують протеолітичні ферменти, які руйнують усі білки. Тому, якщо метою культивування є отримання білкових продуктів, треба зупинити ферментацію до цієї фази. В залежності від генотипу мікроорганізмів та природи рекомбінантного білка під час періодичної ферментації з додаванням субстрату вихід продукту може зрости на 25-1000% у порівнянні з простою періодичною ферментацією. Періодичне культивування з додаванням субстрату можна використовувати для культивування клітин тварин та комах.
3. Безперервна культура характеризується стаціонарними умовами – видалення клітин урівноважується їх збільшенням за рахунок поділу. Широке розповсюдження набули системи:
3.1.Хемостат - сталість хімічних характеристик та складу середовища, у якому знаходяться мікроорганізми Це процес, при якому у культуру з постійною швидкістю безперервно подається свіже поживне середовище, а об’єм культури підтримується на постійному рівні шляхом безперервного видалення частини культуральної рідини. Базується на твердженні – абсолютна концентрація клітин не залежить від поживних речовин, які знаходяться у середовищі і лише від субстрату, якій лімітує ріст. Середовище складають так, щоб усі поживні компоненти були у надлишку у порівнянні з компонентами, які необхідні для синтезу клітини у необхідній концентрації. Цей єдиний компонент, якого не стає лімітує ріст та контролює величину мікробної популяції у сталому стані.
3.2.Турбидостат – це культивування де постійна концентрація мікроорганізмів підтримується шляхом регулювання оптичної щільності культури. У разі перевищення встановленого рівня вмикається насос, якій подає свіже середовище.
3.3. Система безперервного культивування поршневого типу – дозволяє імітувати періодичне культивування. Використовується лише у лабораторних умовах.
Стерильне та нестерильне культивування.
Ідеальний варіант припускає 100% домінування виробничої культури. Однак, на практиці ця умова не виконується. Реально вдається забезпечити переважний ріст та життєздатність штаму-продуценту. Особливо це має значення на початку ферментації. У подальшому з’являється стороння мікрофлора і завдання біотехнолога створити умови культивування, які б пригнічували ріст сторонньої мікрофлори. Це так звана нестерильна ферментація, яка насправді не існує, тому що створюються такі умови, які забезпечують домінування виробничого штаму над сторонньою мікрофлорою. Приклад - культивування у безперервних умовах кормових дріжджів, отримання оцтової кислоти при низьких рН, отримання кормового вітаміну В12 та анаеробне бродіння органічних речовин з використанням термофільних мікроорганізмів в температурних умовах 50-55оС. також можна збільшити частку посівного матеріалу до 20-25%.
Аеробне та анаеробне культивування.
Під час аеробного культивування мікроорганізми потребують кисню у середовищі. Це досягається шляхом забезпечення необхідної концентрації розчиненого кисню у рідкому середовищі, шляхом надходження кисню по трубах (барботерах) з малими отворами по всій довжині. При цьому кисень надходить у середовище у вигляді дрібних пухирців, які розчиняються під дією мішалки.
Інколи використовують анаеробне культивування,наприклад для отримання вітаміну В12.
Глибинне культивування проводять у ємкостях які називають ферментерами або біореакторами.
Біореактор – biogenerator - закрита система, така як ферментер, в яку вводять біологічні агенти поряд з іншою сировиною таким чином, що це призводить до їх розмноження або до продукування ними інших речовин шляхом взаємодії з іншою сировиною.Біореактори зазвичай укомплектовані регулюючими та контролюючими приладами, а також пристроями для з`єднання, додавання і видалення речовин.
Такій апарат повинен забезпечити:
Ø Ріст і розвиток популяцій мікроорганізмів у об’ємі рідкої фази
Ø подача поживних речовин до клітин
Ø видалення від мікробних клітин продуктів їх обміну
Ø видалення з поживного середовища тепла, яке виділяють клітини
Основне завдання – забезпечення надійності культивування у період від декількох годин до декількох діб (рис. 36).
Самий простий ферментер складається з:
Ø Ємкості, яка визначає робочий об’єм апарату, якій не повинен перевищувати 0,7 від загального об’єму.
Ø Системи вводу та виводу рідких та газових потоків
Ø Системи перемішування
Ø Барботера
Ø Охолоджуючий пристрій
Ø сорочки
Основні вимоги до біореакторів глибинного культивування:
Ø Гомогенність культурального середовища.
Ø Оптимальні масо - теплообмінні характеристики за споживанням поживних речовин та відводу продуктів метаболізму.
Ø Забезпечення стерильності посіву, відбір проб та процесу культивування.
Ø Простота налагодження та обслуговування.
Ø Стандартність блоків обладнання для культивування.
Ø Можливість масштабного переходу.
Ø Можливість автоматичного контролю та регулювання основних параметрів культивування.
Технічні вимоги до посівного біореактора (інокулятора):
Ø Максимально проста конструкція з мінімальним числом штуцеров та передаточних приладів.
Ø Забезпечення оптимальних гідродинамічних та массообмінних умов.
У біореактора повинно контролюватися:
Ø Температура стерилізації
Ø Температура культивування
Ø рН
Ø еН
Ø рО2
Ø рСО2
Ø швидкість обертання мішалки
Ø тиск
Ø розхід повітря
Ø піноутворення
Біореактори виготовляються з високолегованих марок сталі з відполірованою внутрішньою поверхнею.
Лабораторні та пилотні біореактори виготовляються з термостійкого та нейтрального скла з кришкою з нержавіючої сталі.
Процес глибинного культивування у біореакторі передбачає використання відповідних методів та обладнання для підтримки гомогенності.
За допомогою ефективного перемішування можна досягти рівної концентрації усіх компонентів середовища і мікроорганізмів у всьому робочому об’ємі реактору – тобто створити гомогенність.
Це потрібно для:
Ø Правильного вимірювання фізико-хімічних параметрів культивування у місті ,де розміщений датчик.
Ø Оптимальні умови росту мікроорганізмів можна створити лише у гомогенному стані.
Ø Збільшення поверхні контакту системи газ-рідина, що сприяє кращому переходу кисню у культуральне середовище.
Перемішування забезпечує:
Ø Вирівнювання концентрації.
Ø Вирівнювання температури.
Ø Розподілення дисперсних часток.
Ø Тепло- та масообмін з частками дисперсної фази.
Ø Тепловіддачу від стінок апарата.
Ø Тепловіддачу від внутрішніх пристроїв.
Ø Подріблення крапель.
Ø Подріблення пухирців.
Ø Змішування на макрорівні.
Перемішування забезпечується мішалками, які єшвидкі та повільні.
Швидкі мішалки:
Ø Пропелерні
Ø Турбінні
Ø Лопасні
Ø дискові
Швидкі мішалки використовують у апаратах з перетинками – відбійниками, їх відсутність призводе до утворення воронки.
Повільні:
Ø Лопасні
Ø Якірні
Ø Рамні
Ø Стрічкові
Ø Вібраційні
Ø Скребкові
Повільні мішалки використовуються для перемішування середньовязких та високов’язких рідин.
УПРАВЛІННЯ БІОТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ.
Масообмін – інтенсивність перенесення розчинених у водному середовищі субстратів у біореакторах з механічним перемішуванням та інтенсивною аерацією. Під час культивування аеробів масообмін кисню є визначним.
Процеси, що впливають на масообмін кисню:
Ø Перенос кисню через межу розділу фаз газ-рідина
Ø Дифузія розчиненого газу через газо-рідинну фазу
Ø Перенос кисню через рідку фазу до фази рідина-клітина
Ø Перенос кисню через шар рідина-клітина до клітинної мембрани
Ø Транспортування кисню через клітинну мембрану.
Слід враховувати, що розчинність кисню зменшується зі збільшенням в’язкості та присутності солей.
Масштабування – визначення умов, за якими можливе безпосереднє перенесення даних, отриманих для системи глибинного культивування з одного біореактору на інший. Виконується у 4 етапи:
1. Вибір кращого штаму посівного матеріалу та середовища за основними біотехнологічними показниками
2. Порівняльна оцінка ростових властивостей поживного середовища і штаму у лабораторному посуді
3. Оцінка термодинамічних, гідродинамічних параметрів процесу культивування і їх оптимізації в умовах лабораторного пілотного біореактору, якій має систему контролю та управління.
4. Перенесення отриманого оптимального режиму культивування у промислові об’єми.
Основні параметри біотехнологічних процесів, що контролюються: