Инженерно-технологическое обеспечение биотехнологических процессов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. П.А. СТОЛЫПИНА»

(ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. СТОЛЫПИНА)

Институт ветеринарной медицины и  биотехнологии

 

Кафедра ветеринарной микрабиологии, вирусолгии, иммунологии.

 

 

Реферат

«Инженерно-технологическое обеспечение  биотехнологических процессов».

 

 

Студент: Федотова В. С.

Группа: 531

Проверила: Заведующая кафедры

  ДВН Профессор

Плешакова В. И.

 

 

2013г.

 

План.

1.Введение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят: 1. лекарственные средства для лечения, в число которых входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды; 2. профилактические средства, в число которых входят вакцины, анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры; 3. диагностические средства, в число которых входят ферментные и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток. Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты. Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология – это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к2 биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».  В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии.

Суммируя все позиции  определения биотехнологии, указанные  выше, можно сказать, что «Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические  процессы и агенты для целенаправленного  воздействия на природу, а также  для промышленного получения  полезных для человека продуктов, в  томчисле лекарственных средств». Биотехнология – комплексная наука, это и наука и сфера производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология как сфера производства – это наукоемкая технология.

Общая схема биотехнологического производства.

Исходное сырье и материалы

Энергия и другие ресурсы

Реализованный труд

+

Биообъект

Процессы и аппараты

+

Биотехнология

Лекарственные средства

+

Побочные продукты

Отходы производства

 

 

Биотехнологию можно условно разделить на три  категории по получаемым продуктам:

1. Природные биотехнологические продукты, вырабатываемые  собственно микроорганизмами (например, антибиотики); 

2. Биотехнологические продукты второго поколения, полученные спомощью генноинженерных штаммов (например, человечески йинсулин);

3. Биотехнологические продукты третьего поколения – продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты. В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что в 4х позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.

 

Общие положение биотехнологического процесса.

Биотехнологическое производство имеет разную степень сложности по протяженности технологических цепей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например, быстрое производство, когда  целевой продукт - это биомасса (получение

дрожжей, при получении бифидумбактерий. Отдаленный процесс, если конечный продукт

– это лекарственный препарат (например, антибиотики), то в этом случае технологических

стадий будет больше.

1. Стадия биосинтеза в биотехнологическом производстве имеет разную степень

сложности: например, культивирование  нестойкого рекомбинантного продуцента

(высокая степень сложности), а  использование лошади для выделения  антител из крови

после ее иммунизации (для получения  сыворотки) – несложный процесс.

2. Любой биообъект требует условий  для создания продукта:

2.1 условия для поддержания его жизнедеятельности

2.2 условия для синтеза целевого  продукта

2.3 предотвращение контакта с  посторонней микрофлорой, когда  необходимо защищать

продуцент от конкуренции.

Биосинтез в ферментере может осуществляться только тогда, когда в ферментере имеется

продуцент и он освобожден от посторонних  микроорганизмов.

Ферментер – это аппарат для проведения ферментации и в тоже время это техногенная

экологическая ниша. Существует такое  название как «обвязка ферментера», представляющая все основные рабочие  узлыэтого аппарата:

- мешалка, для равномерного распределения  всех продуктов среды, 

- тепловая рубашка для обогрева,

- отбойники, препятствующие образованию  «мертвых зон», то есть недоступных  зон для регулирования ферментационного процесса,

-слив для культуральной жидкости для последующего выделения целевого продукта,

- барботер с воздухом для аэрации процесса ферментации,

- клапаны для входа и выхода воздуха,

- входное отверстие для загрузки  ферментера.

Кривая роста микроорганизмов  при полупериодическом, регулируемом режиме культивирования

 

Изображение кривой на рисунке.

По оси ординат откладываем  концентрацию клеток микроорганизмов (рост микроорганизмов), по оси абсцисс – время роста микроорганизмов. На рисунке мы видим шесть фаз такого роста.

1. Фаза приспособления, или так  называемая фаза адаптации микроорганизмов,  или лаг-фаза. В этой фазе нет  деления и соответственно роста  микроорганизмов, но есть увеличение количества белков, как ответная реакция на новые условия их существования.

2. Фаза ускоренного роста (переходная  фаза). В этой фазе повышается  содержание белков, РНК, нуклеиновых кислот, происходит уже деление клетки.

3. Эта фаза называется логарифмической фазой роста (экспоненциальная

кривая), когда компонентов питания  достаточно и биообъект полностью

адаптирован к условиям в ферментере. Идет аэрация.

4. Фаза замедленного роста клеток. В этой фазе число клеток  сокращается, так как и

число делений сокращается. Уменьшается  скорость роста микроорганизмов, так  как по мере наращивания биомассы уменьшаются компоненты питательной среды. Клектки лизируются, происходит автолиз клетки и они начинают уничтожать своих соседей (одни клетки съедают другие).

5. Фаза стационарная, когда количество  живых клеток сохраняется за  счет умерших и не происходит роста биомассы.

6. Фаза гибели клеток, когда число  погибших клеток больше, чем живых.

Однако, если в «лагфазе» добавить источник углерода (например, лактозу), то все повториться. Поэтому можно использовать несколько источников питания, но добавление это делать в логарифмической фазе роста клеток. Если ферментационная среда не очень отличается от посевной среды, то обычно берут 5-10% питательной среды во избежание появления слишком большого количества метаболитов – отработанных веществ, засоряющих эту среду.

Различия ферметации для грибов, актиномицетов и бактерий по температуре и времени:

Ферментация грибов – до 7 суток  при 24°С

Ферментация актиномицетов – до 5 дней при 26-28°С

Ферментация бактерий – 1-2 суток при 28°С.

 

 

 

Выращивание посевного материала:

 

 

 

 

1 Выращивание посевного материала

Культуру продуцента хранят

1.в запаянных ампулах

2 .вжидком азоте

3.на твердых носителях – пшено, ячмень, рис.

4.в лиофилизированном состоянии – лучше хранятся споры, чем живые

клетки

5.в ампулах в лиофилизированном состоянии на носителе (пшено, желатин-

альгинат натрия)

6.в пробирке на скошенном агаре – срок хранения до нескольких месяцев.

1.пробирка с продуцентом на  скошенном агаре

2. бльшое количество колб для выращивания молодой культуры (проверяют чистоту культуры под микроскопом.

3. инокулятор, мешалка

4. посевной аппарат (с контролем) 

Такое количество стадий нужно для  получения чистой культуры.

 

Многоэтапное выращивание посевного  материала – обязательный принцип биотехнологического производства. Среда для выращивания посевного материала обычно не совпадает по составу

с ферментационной средой, т.е. при  выращивании посевного материала  среда может быть обогащена для быстрого роста биомассы.

2. Стерилизация  технологического воздуха. 

Технологический воздух – это воздух, проходящий через ферментер. Через ферментер с объемом 50м³ (кубических метров за час) пропускается 30000  м³/час (кубических метров за час) воздуха.

Обычный воздух содержит в 1 м³ (метр кубический)от 1 тысячи до 100 тысяч клеток микроорганизмов. Воздух стерилизуют только фильтрацией,  пропуская его через систему фильтров, другие способы (УФ, термические) не подходят, так как нужно стерилизовать очень большие объемы воздуха.

Технологическая схема получения стерильного  воздуха:

Воздух с улицы поступает  на → Фильтр предварительной очистки от пыли и влаги, затем поступает на → Компрессор (происходит сжатие воздуха, при этом воздух нагревается), затем - на → Холодильник (для охлаждения воздуха, поступившего от компрессора, затем) → Воздух под23

давлением проходит через головной фильтр и подается на →Индивидуальный фильтр (у каждого ферментера). Индивидуальные фильтры не должны пропускать более 0,25 микрона (мкм)

микроорганизмов. Размеры микроорганизмов. - кокки составляют 0,5-1,5 мкм, кишечные

палочки – 0,4- 0,8 мкм. Существует коэффициент проскока, поэтому фильтры 100% стерилизацию

дают не всегда. Фильтры стерилизуются острым паром при 120° С 30 мин.

3. Стерилизация и герметизация  оборудования.

Ферментер и все трубопроводы стерилизуют насыщенным паром при 130° С 1 час. Для проверки эффективности стерилизации проводят пробную стерилизацию с использованием биологического теста.

3. Стерилизация питательных сред

Водопроводная вода содержит до 100 микробных клеток в 1 миллилитре. Компоненты питательной среды – источники углерода, азота, содержат в 1 грамме муки от 10000 до 1 миллиардов клеток микроорганизмов. Питательную среду стерилизуют термическим нагреванием, но при этом могут инактивироваться термолабильные соединения, витамины и др.

Поэтому для каждой среды имеются свои условия стерилизации. Стерилизация – процесс вероятностный.

 

Классификация биосинтеза по технологическим  параметрам

1. По принципу организации материальных потоков
2. Классификация по виду целевого продукта

1. Получение биомассы

2. Получение метаболитов (первичных – витамины, аминокислоты, вторичных - антибиотики)

III Классификация по типу ферментации

1. Глубинный биосинтез (по всему объему ферментера) –широко используется.