Основы технологии, процессы и аппараты биотехнологических производств

Лекция 6

 

Основы технологии, процессы и аппараты  биотехнологических производств

 

 

Как уже отмечалось, имеется целый ряд преимуществ производства органических продуктов биотехнологическими способами перед чисто химическими методами:

1. Многие сложные органические молекулы, такие, как белки и антибиотики, не могут практически быть синтезированы химическими способами;
2. Биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого продукта;
3. Биологические системы функционируют при более низких температурах, менее высоких значениях рН (близких к нейтральному) и т. п.;
4. Каталитические биологические реакции намного специфичнее, чем реакции химического катализа;
5. Биологические процессы обеспечивают почти исключительно продукцию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это часто бывает в реакциях химического синтеза.

 Но вместе с тем биологические  способы в сравнении с химическими  методами обладают рядом явных  недостатков:

1. Биологические системы могут легко быть загрязнены посторонней нежелательной микрофлорой.

2. Целевой продукт, синтезируемый биологическим способом, присутствует в довольно сложной смеси, что обусловливает необходимость разделения его от примеси ненужных веществ.

3. Биотехнологические производства требуют больших количеств воды, которую в итоге необходимо удалять, сбрасывая в окружающую среду.

    4. Биопроцессы  обычно    идут    медленнее    в сравнении   со стандартными

        химическими процессами.

 

Любой биотехнологический процесс (лабораторный или промышленный) реализуют условно  в три основных этапа. Первый из них – подготовительный (предферментация), когда необходимо выполнить все подготовительные работы (подготовка и стерилизация питательных веществ (субстрата для культивирования микроорганизмов-продуцентов), наработка (накопление)  используемого продуцента,  стерилизация и подготовка основного оборудования  (реактора – ферментера). Второй этап – основной (ферментация) включает в себя  стадию культивирования соответствующего микроорганизма-продуцента и  накопления (наработки) целевого продукта. На третьем этапе – постферментационном осуществляется выделение и очистка целевого продукта.

Существует два основных подхода к интенсификации биотехнологических процессов, которые заключаются, с одной стороны, во внедрении новых высокопродуктивных биологических объектов (продуцентов), а с другой – в широком применении эффективных технологических приемов (технологических режимов), обеспечивающих максимально комфортные условия для их жизнедеятельности и накопления целевого продукта.  Указанная цель достигается подбором подходящего сырья (субстрата для выращивания продуцента), разработкой наилучшей конструкции биореактора (ферментера), оптимизацией условий культивирования продуцента, обеспечением эффективного контроля за самим технологическим процессом, а, также усовершенствованием способов выделения и очистки целевого продукта.

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

Подготовка и стерилизация питательных  сред.

 

В статьях расходов на производство продуктов микробного синтеза одно из первых мест занимает сырье. При производстве 1*10⁹ ЕД пенициллина, например, необходимо израсходовать примерно 6,5 кг углеводсодержащего сырья.

Для проведения ферментационных процессов, наряду с очень дорогим пищевым сырьем, таким как мука кукурузная, соевая, пшеничная, крахмал, пищевой сахар, глюкоза, лактоза, растительные масла, применяют и значительно более дешевые, являющиеся отходами пищевой промышленности - гидрол, меласса, зеленая патока, молочная сыворотка, кукурузный экстракт, рыбно-костная мука, гидролизаты кукурузных кочерыжек, соломы, подсолнечной мезги, а также специально получаемые продукты - гидролизаты древесины и торфа, парафины нефти, метан, этанол и др.

Выбор сырья  определяется обычно двумя основными  факторами:

1.Особенностями культивирования  того или иного продуцента. Например, дрожжи прекрасно растут на питательной среде содержащей один основной компонент (углевод, углеводород, спирт) и минимальное количество ростовых факторов (витамины, микроэлементы). Культуры растительных и животных клеток, некоторые микроорганизмы требуют наличия в питательной среде десятков, а иногда и сотен компонентов, часто весьма экзотических (экстракты из эмбрионов животных, компоненты кровяной плазмы и т.д.).

2. Потребительской стоимостью и  себестоимостью целевого продукта. Если

речь идет о ценном лекарственном  препарате со стоимостью в десятки  долларов за грамм и выше, остро  необходимом, то стоимость сырья  не имеет решающего значения. Если речь идет о крупнотоннажном производстве дешевых продуктов (этанол, глицерин, органические кислоты, витамины и др.), то стоимость сырья играет зачастую решающую роль в рентабельность того или иного производства. Так в начале 50-ых годов ХХ века во всех странах были закрыты предприятия по микробиологическому производству глицерина, ацетона и бутанола т.к. они не смогли конкурировать с производством аналогичных продуктов из нефтяного сырья химическим путем. Единственной страной, где эти производства функционировали до конца 80-ых годов ХХ века была ЮАР, которая имела высокоразвитое сельское хозяйство, но не имела собственных месторождений нефти и не могла покупать нефть на мировом рынке из-за режима санкций, которые были наложены на нее по решению ООН. 

 

Растительная  биомасса представляет собой достаточно хорошо утилизируемые источники углерода для биотехнологических целей. На основе этих источников основано давно существующее производство алкоголя из зерна и крахмалсодержащих корнеплодов. Растительные источники могут рассматриваться как практически неистощимые. Первичная продукция фотосинтеза (рост растений за счет использования солнечной энергии) на земле обеспечивает 2×1011 т вещества (биомассы) в год в пересчете на сухой вес!  Наибольшая доля биомассы (около 44 %) образуется в виде древесины. Вызывает удивление факт, что продукция сельского хозяйства составляет лишь 6 % первичной продукции за счет фотосинтеза, хотя именно из этого количества получается основная часть пищи для людей и животных, а также многие необходимые материалы (например, для текстильной и бумажной промышленности).

Наиболее подходящим и доступным, чтобы служить питательным  субстратом для биотехнологических процессов, является сырье, используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный тростник. Однако в настоящее время в мире традиционное использование сахара постепенно снижается, и он заменяется более эффективными подсластителями. Складывающаяся ситуация на мировом сахарном рынке будет способствовать поискам его нового применения, так как многие страны тропических областей испытают существенные экономические трудности, если исчезнет сахарный рынок. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской «топливной» программы (производство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания и в первую очередь для автомобилей, поскольку они меньше загрязняют атмосферу). Бразильский пример быстро убеждает многие другие страны в перспективности такой новой технологии.

Существенную значимость представляют крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие, как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного или химического гидролиза. Тем не менее, в настоящее время с определенным успехом разрабатываются перспективные биотехнологические процессы, основанные на использовании данного полисахарида.

Половину сухой растительной биомассы как сельскохозяйственного, так и «лесного» происхождения составляет один из самых распространенных биополимеров – полисахарид целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Почти не вызывает ни у кого сомнения, что целлюлоза должна рассматриваться в качестве основного питательного сырья для биотехнологических процессов.  Однако необходимым условием подготовки данного материала к использованию в качестве биотехнологического сырья является ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы).  Как ни странно, но это до сих пор представляет довольно трудную задачу.

Дело в том, что сама чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем химического или ферментативного гидролиза до растворимых сахаров, которые затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию) микроорганизмами с образованием этанола, бутанола, ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. За год в процессе фотосинтеза на Земле образуется 22 миллиарда тонн  целлюлозы, или 24 тонны на человека. Таким образом, целлюлоза может служить неисчерпаемым источником технической глюкозы. Однако практически во всех растениях целлюлоза находится в виде комплекса с гемицеллюлозой и лигнином, что и обеспечивает твердость древесины. Если гемицеллюлоза, состоящая в основном из моносахарида ксилозы с примесью арабинозы и глюкоуроновой кислоты легко подвергается гидролизу и то же может служить источником моносахаридов (отходы целлюлозно-бумажной промышленности), то лигнин, представляющий собой биополимер нерегулярного, трудно определяемого состава, состоящий из молекул многоосновных фенолов с неорганическими включениями, практически не подвержен гидролизу в тех же условиях. Смолообразные продукты, содержащие лигнин и продукты его частичного разложения, загрязняют аппаратуру, забивают трубопроводы, обволакивая частицы целлюлозы тормозят их гидролиз, отравляют растворы моносахаридов. Проблемой очистки от лигнина и его переработки ученые разных стран занимаются  уже более ста лет, однако проблема по-прежнему далека от решения.  Поэтому растворы моносахаридов, получаемые гидролизом целлюлозосодержащего растительного сырья, даже после сложной, многоступенчатой очистки используют обычно для получения непищевых, технических продуктов (этиловый спирт”гидролизный”-“гидрашка”, кормовые дрожжи, органические кислоты).

Другим доступным  источником углерода и энергии являются некоторые компоненты нефти и газа. Наилучшим субстратом из компонентов нефти являются н-алканы или парафины (особенно жидкие) с числом углеродных атомов от 10 до 20..   Их могут утилизировать большинство бактерий и дрожжи. Эти соединения являются компонентами фракции дизельного топлива (солярки), получаемой при перегонке нефти. Поскольку н-алканы имеют высокую температуру замерзания, то их присутствие в дизтопливе  нежелательно, и для получения топлива высокого качества проводят процесс депарафинизации. Одним из направлений утилизации получаемых н-парафинов  может быть использование их в качестве субстрата для микробиологических производств. В 60-80-е годы в странах Запада  и в СССР были построены крупнотоннажные производства кормовых дрожжей (белково-витаминных концентратов – БВК). В частности такое производство было организовано на базе Кстовского нефтеперегонного завода. Однако резкое повышение цен на нефть и экологическая опасность (дрожжевой белок оказался сильным аллергеном для человека), привело к повсеместному закрытию этих производств. Имеются производства лимонной и кетоглутаровой кислоты на базе н-алканов.

Другими перспективными источниками  углеводородсодержащего сырья могут служить синтетический этанол, получаемый каталитической гидратацией этилена (категорически запрещен для использования в пищевых продуктах и лекарствах), синтетический метанол, а так же природный газ, очищенный от органических соединений серы (сульфидов, меркаптанов).

Однако и  нефть, и газ должны рано или поздно истощится. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья. Помимо растительной биомассы  другим неисчерпаемым источником дешевого сырья  для биотехнологических производств могут служить различные отходы сельского хозяйства (отруби, шелуха семян, жмыхи, кочерыжки, кукурузные початки и др.), пищевой промышленности (меласса-маточник после кристаллизации упаренного раствора сахара, молочная сыворотка), целлюлозно-бумажного производства (варочные щелока, получаемые при термической обработке древесины слабыми растворами сернистой и серной кислот). Даже некоторые отходы одних биотехнологических производств могут служить прекрасным сырьем для других. Так спиртовая барда, остающаяся после отгонки спирта из бражки используется для микробиологического производства некоторых витаминов (В₁₂).

Приготовление питательных сред для ферментационных  процессов обычно рассматривается  как мало интересная часть общей задачи, но фактически оно является краеугольным камнем, обеспечивающим успех всех последующих этапов. Среды неподходящего состава обусловят низкий уровень ростовых процессов и, следовательно, низкий уровень выхода целевого продукта. Поэтому рассмотрим основные моменты, связанные с этим процессом.

Жидкие компоненты питательных  сред (кукурузный экстракт,  патоку, мелассу, гидрол, растительные масла, рыбий  жир) доставляют на производство в железнодорожных цистернах и хранят в специальных сборниках на складах заводов и транспортируют по коммуникациям с помощью вакуума, сжатого воздуха или перекачивают насосами. Дозировку жидких компонентов осуществляют по массе или по объему в соответствии с прописью среды и контрольными показателями каждой партии этого нестандартного вида сырья.

Сыпучие компоненты сред из транспортной тары забирают или  в специальные бункеры или хранят на складах в исходной упаковке. Для транспортировки сыпучих компонентов используют ленточные и винтовые конвейеры, элеваторы, пневматический транспорт.

Жидкие питательные среды  приготовляют в аппаратах-смесителях с мешалкой, куда загружают отдельные компоненты в определенной последо-вательности, установленной по регламенту.

Приготовление сложных  комплексных сред, в состав которых, кроме минеральных компонентов и сахаров, входит мука, крахмал, кукурузный экстракт, проводят в нескольких смесителях. Кукурузный экстракт обычно кипятят с мелом для нейтрализации содержащихся в нем аминокислот и органических кислот. Муку, крахмал предварительно заваривают и тщательно перемешивают, чтобы не допустить образования крупных комков, которые могут быть причиной нестерильных операций, поэтому реакторы должны быть снабжены барботерами для подачи пара.

Часто для снижения вязкости питательной  среды, содержащей достаточно большую концентрацию кукурузной муки или крахмала проводят их частичный гидролиз амилолитическим ферментом - оризином (продуцент - Aspergillus oryzae) с последующей его инактивавацией нагреванием. 

В связи с тем, что в большинстве своем питательные среды имеют жидкую и твердую фазы, возникает необходимость тонкого измельчения твердых компонентов - отрубей, муки грубого помола, рыбно-костной муки, соевого жмыха. В этих целях с большой эффективностью  используют роторно-пульсационный  аппарат, через который пропускают суспензию компонента перед завариванием или после него. Благодаря этой процедуре не только избавляются от комков, образовавшихся при заваривании, но и повышают степень использования сырья, равно как и получают возможность применять отдельные виды сырья (например, среды рыбно-костной мукой, плохо поддающиеся стерилизации из-за

большого количества рыбьих глаз).

Растворы сахаров, нуждающиеся в более щадящих режимах стерилизации, рекомендуют готовить и стерилизовать отдельно, смешивая с основной средой только в ферментаторе.