Основные технологические процессы получения сухих биопрепаратов

 

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

 

ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ЭКОНОМИКИ

 

 

  РЕФЕРАТ

Тема: Основные технологические процессы получения сухих биопрепаратов.

    

 

 

 

 

Выполнила: ст-ка 3-го курса

ИВМЗ, гр. 2219/1,

Карымова Татьяна

Проверила: Герасименко О. Ю.

Благовешенск,2011г.

 

Содержание.

1)Введение………………………………………………………………….3

2) Методы выделения и концентрирования целевого продукта………4

3) Способы консервирования биологических препаратов…………….8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В культуральной жидкости после окончания процесса ферментации содержатся микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, остатки питательной среды, пеногаситель, растворимые и нерастворимые вещества. Целевым продуктом биосинтеза могут быть непосредственно сами микроорганизмы либо их метаболиты, растворенные в культуральной жидкости или находящиеся внутри клеток микроорганизмов. Почти во всех случаях для получения целевого продукта необходимо отделить взвешенную фазу - массу микроорганизмов - от культуральной жидкости. Культуральные жидкости обычно являются сложными смесями и содержат большое число компонентов, многие из которых обладают близкими физико-химическими свойствами. Наряду с растворенными минеральными солями, углеводами, белками и другими органическими веществами культуральные жидкости содержат в значительном количестве полидисперсные коллоидные частицы и взвеси. Следовательно, они являются не только многокомпонентными растворами, но и суспензиями. Дисперсная фаза этих суспензий состоит из мицелия или клеток микроорганизмов, а также из твердых частиц, содержащихся во многих питательных средах: муки, хлопьев из кукурузного экстракта и т.п. Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости, как правило, очень низкое. В 1 л содержится обычно 5-10 г сухой биомассы. Отделение такого количества взвешенной фазы - трудная технологическая задача, которую приходится решать путем концентрирования различными способами (флотирование, сепарирование, упаривание). Способы отделения клеточной биомассы микроорганизмов от культуральной жидкости можно разделить на:

- механические (отстаивание, фильтрование, центрифугирование);

- теплотехнические (сушка).

 

1. Методы выделения и концентрирования  целевого продукта

биологический культуральный экстракция концентрирование

Все методы выделения продуктов микробиологического синтеза из культуральной жидкости делят на две группы: 1) экстракция, ионный обмен, адсорбция, кристаллизация, если целевой продукт в растворе; 2) осаживание, фильтрование, центрифугирование, сепарирование, если целевой продукт в виде твердой фазы. Часто невозможно выделить целевой продукт с помощью одного метода, тогда применяют комбинацию нескольких методов и в процессе выделения переводят продукт из растворимой формы в нерастворимую (или наоборот). Как правило, при выделении растворенных веществ культуральную жидкость приходится подвергать предварительной обработке и очистке с помощью осаживания, фильтрования, центрифугирования, сепарирования и мембранных методов (электродиализ, ультра-и микрофильтрация).

Осаживание.

Осаживание (седиментация) - это процесс расслоения дисперсных систем под действием силы тяжести и отделение дисперсной фазы в виде осадка. Скорость осаживания биомассы из культуральной жидкости невелика и составляет порядка 10-6-10-7 м/с. Для ускорения процесса осаживания применяют: 1) коагулянты - вещества, переводящие взвешивание частиц в агрегатно-неустойчивое состояние; 2) флокулянты - вещества, способствующие разрушению коллоидных структур и образованию крупных хлопьев. В качестве коагулянтов применяют обычно желатин, рыбный клей, казеин, в качестве флокулянтов - метилцеллюлозу, пектин, альгинат натрия и др.

Центрифугирование.

Центрифугирование - это разделение неоднородных систем под воздействием поля центробежных сил.

Для центрифугирования применяют центрифуги различных конструкций. Центрифуги, имеющие высокий фактор разделения и оснащенные тарельчатым барабаном, называют сепараторами. В микробиологической промышленности сепараторы являются одним из самих распространенных типов центрифуг. Сепараторы позволяют сконцентрировать осадок до влажности 60-90%. В последние годы появились специальные герметические сепараторы, позволяющие вести процесс сепарирования в автоматизированном режиме, оптимально подобранном для специфических условий конкретных культуральных жидкостей. Область применения центрифугирования:

- Выделение биомассы из культуральной жидкости (дрожжи, бактерии, грибы).

- Отделение различных целевых продуктов микробиологического синтеза (антибиотики, ферменты, витамины и др.), переведение предварительно в твердую фазу.

- Разделение эмульсий, образующихся при экстракции.

Фильтрование.

Фильтрование - это разделение твердой и жидкой фаз суспензии при пропускании ее через пористую перегородку. Конечная цель фильтрования - получение твердой или жидкой фазы (когда одна из них является отходом), а также одновременное получение твердой и жидкой фаз. Фильтрование - гидродинамический процесс, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка. В качестве вспомогательных фильтровальных материалов используются фильтровальные порошки, которые вносят в фильтруемую жидкость как наполнители или предварительно наносят на рабочую поверхность фильтра в виде грунтового слоя.

Экстракция - процесс разделения смеси твердых и жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Физическая сущность эктракции состоит в переходе извлекаемого компонента из одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении. Экстрагируемые компоненты переходят из исходного раствора в растворитель вследствие разности концентраций, поэтому данный процесс относится к числу диффузионных. Процесс экстракции проводится обычно в двухфазных системах: «твердое тело - жидкость» или «жидкость - жидкость». Область применения экстракции: выделение и очистка антибиотиков, витаминов и аминокислот.

Ионообмен представляет собой сорбционный процесс. Адсорбция - это процесс поглощения одного или нескольких компонентов целевого продукта из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря этому становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, т.е. проведение процесса десорбции. Первые сорбционные методы выделения и очистки биологически активных веществ и антибиотиков были основаны на применении молекулярных сорбентов (активированные угли, окись алюминия и др.). Молекулярные сорбенты одинаково хорошо собирают выделяемое вещество и ряд примесей. В настоящее время разработаны ионообменные сорбенты (иониты), которые характеризуются различной избирательностью и высокой специфичностью. Иониты - это органические и неорганические вещества, практически не растворимые в воде и обычных растворителях, которые содержат активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте их с растворами.

Наиболее перспективны синтетические ионообменные смолы. Иониты нашли широкое применение в технологии производства антибиотиков на этапе их сорбции из культуральной жидкости.

Кристаллизация - это выделение твердой фазы в виде кристаллов, главным образом из растворов и расплавов. Кристаллизация антибиотиков и других биологически активных веществ основана на резком уменьшении их растворимости в результате изменения температуры раствора (обычно понижения, но иногда, например, в случае эритромицина - повышения) или перевода их в другую плохо растворимую химическую форму. Последнее достигается изменением рН раствора или добавлением соответствующего реагента, часто с одновременным снижением температур. Кристаллизация является не только способом получения антибиотиков в твердом виде, но и очень эффективным средством очистки от сопутствующих примесей, что является существенным преимуществом по сравнению с некоторыми другими методами разделения. Метод кристаллизации нашел применение в технологии получения антибиотиков (тетрациклина, эритромицина и др.), витаминов, полисахаридов.

Упаривание - это процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя испарением при нагревании жидкости. В ряде случаев упаренный раствор подвергают последующей кристаллизации. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате упаривания, легче и дешевле перерабатывать, хранить и транспортировать. Обычно производство антибиотиков осуществляют при температуре 60-700С под вакуумом, поэтому метод недопустим при переработке термолабильных биологически активных веществ.

Мембранные методы разделения

К мембранным методам разделения относятся:

1. Диализ и электродиализ.

2. Обратный осмос.

3. Микрофильтрация.

4. Ультрафильтрация. В основе этих  методов лежит явление осмоса - диффузия растворенных веществ  через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану  с большим количеством (до 1010-1011на 1 м2) мелких отверстий - пор, диаметр  которых не превышает 0,5 мкм. Под  мембраной обычно принято понимать  высокопористую или беспористую  плоскую или трубчатую перегородку, оформленную из полимерных или  неорганических материалов и  способную эффективно разделять  частицы различных видов (ионы, молекулы, макромолекулы и коллоидные частицы), находящиеся в смеси или растворе. Использование мембран позволяет  создавать экономически высокоэффективные  и малоотходные технологии.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультра и микрофильтрация. Эти методы характеризуются такими общими чертами, как использование полупроницаемых, т.е. по-разному пропускающих компоненты растворов и суспензий, мембран, применение в качестве движущей силы процессы избыточного давления, способы борьбы с концентрационной поляризацией. Как известно ветеринарными иммуно-биологическими препаратами (ВИБП) являются препараты, предназначенные для специфической профилактики, диагностики и лечения инфекционных, паразитарных болезней и аллергических состояний: вакцины, иммуноглобулины, интерфероны, цитокинины, сыворотки, бактериофаги, эубиотики, аллергены, диагностические препараты, питательные среды, иммуномодуляторы бактериального происхождения. В технологии приготовления практически всех из указанных препаратов можно найти применение микрофильтрации.

Перспективным направлением использования микрофильтрации в технологии производства ВИБП является метод культивирования микроорганизмов, который сочетает мембранные элементы с ферментационным оборудованием, что привело к созданию мембранных биореакторов (МБР). Под МБР понимается обычный аппарат, в котором конструктивно объединены биореактор для глубинного культивирования клеток и мембранный модуль, обеспечивающий выведение потока бесклеточной культуральной жидкости. В более широком смысле к МБР можно отнести и такие технологические решения, когда биореактор и мембранный аппарат связаны в единую систему с обратной связью, например, благодаря возврату пермеата или его части (концентрата или его части) в биореактор в целях управления процессом культивирования и биосинтеза. Применение мембран в биореакторах основано на принципе смещения химического равновесия в сторону образования целевого продукта путем удаления этого продукта из реагирующей системы (принцип Ле-Шателье). Для этого регулирующие компоненты приводят в контакт с полунепроницаемой мембраной, обладающей преимущественной проницаемостью для целевых продуктов. Поскольку принцип Ле-Шателье является универсальным, то с такой точки зрения можно рассматривать не только МБР, в которых нужные вещества получают с помощью ферментативных химических реакций, но и мембранные ферменты, использующиеся для культивирования микроорганизмов с целью получения продуктов биосинтеза или для накопления клеточной биомассы. В МБР осуществляется проведение одновременно двух процессов:

- управляемое культивирование микроорганизмов  в объеме биореактора;

- удаление культуральной жидкости (или ее части) и замена её  свежей питательной средой. Благодаря  этому становится возможным создание  процесса культивирования микроорганизмов, непрерывного по жидкой фазе  и периодического по условно  твердой фазе - биомассе, что позволяет  устранить ряд недостатков, присущих  периодическим способам культивирования.

2. Способы консервирования биологических  препаратов

Необходимость стабилизации материалов биологического происхождения, связанная с их чрезвычайной нестойкостью, возникла на заре биологической науки. Известно, что в обычных условиях продолжительность сохранения большинства биологических продуктов исчисляется несколькими днями. В связи с этим разрабатывались различные способы консервирования биологических препаратов, которые в настоящие время можно разделить на:

- консервирование при положительных  температурах с помощью химических  соединений (хлороформ, фенол, глицерин, формалин и т.д.);

- консервирование при низких температурах (замораживание);

- консервирование высушиванием. Высушивание  является одним из наиболее  совершенных процессов стабилизации  свойств продуктов биологического (растительного, животного, микробиологического) происхождения и позволяет сохранять  данные продуты в обычных условиях  длительное время. Кроме того, существенно  уменьшенная масса позволяет  значительно снизить транспортные  расходы и затраты на тару. Необходимо отметить, что обезвоживание - трудный технологический процесс, который часто является решающим  этапом производства, влияющим на  качество выпускаемой продукции. Достоинством искусственного высушивания  является значительно меньшие  затраты времени на удаление  влаги. Процесс сушки - это разнообразный  комплекс тепловых, диффузионных, часто  биологических и химических явлений (особенно когда дело касается  интенсивной сушки). Препараты биологического  происхождения обычно представляют  собой сложные объекты сушки, характеризующиеся рядом показателей, важнейшими из которых являются  начальная, конечная и равновесная  влажность, термические, электрофизические, структурно-механические и массообменные характеристики. Разнообразие свойств продуктов требует индивидуального подхода к разработке рациональных методов их сушки (с учетом требований к качеству готового изделия).

В настоящее время различают естественную сушку на открытом воздухе и искусственную, в специальных устройствах с организованным и регулируемым подводом сушильного агента. По мнению ряда авторов, наиболее широкое внедрение на практике получили следующие методы сушки: