Основные и вспомогательные стадии биотехнологического процесса

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов.

20. Постферментационная стадия: процессы, выполняемые в постферментационную стадию.

Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной продукции и также обезвреживание отходов и побочных продуктов. Культуральная жидкость, образующаяся в процессе ферментации, представляет собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха.

-Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы - биомассы. Наиболее распространенный метод для этих целей - сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах - сепараторах, которые работают по различным схемам, в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости.

1)Фракционирование экстрактов биомассы

Важнейшей задачей биотехнологии является очистка целевого продукта из этой сложной смеси. Целевой продукт может находиться либо внутри клетки, либо вне ее - в культуральной жидкости.

-Разделение суспензий. Одним из способов разделения суспензий является седиментация - разделение культуры как дисперсной системы на дисперсную фазу и дисперсионную среду (в нашем случае - клетки продуцента и культуральную жидкость). Разделение фаз в простейшем случае может быть достигнуто длительным отстаиванием, в процессе

которого клетки продуцента, отличающиеся по плотности от культуральной жидкости, рано или поздно либо выпадут в осадок, либо всплывут.

-Кроме того, поскольку мы имеем дело с живой системой, в которой продолжаются биохимические системы, возможно понижение концентрации целевого продукта за счет деградации его клеточными ферментами. Все это приводит к необходимости ускорить процесс разделения системы. Для этого используют центрифуги (центрифугирование).

С их помощью можно решить следующие технологические задачи:

- разделение суспензии на осадок и раствор;

- разделение эмульсий на две жидкие фазы различной плотности.

2)Разрушение клеточной массы (дезинтеграция)

Наиболее распространенными в промышленности являются физические методы, среди которых чаще всего применяют баллистические методы дезинтеграции. Сущность этой группы методов состоит в том, что биомассу подвергают воздействию удара или истирания

-Другим способом механической дезинтеграции клеток является экструзия. Сущность этого метода заключается в том, что суспензию клеточной массы под высоким давлением продавливают через узкое отверстие в камеру с нормальным давлением. При этом из-за большого перепада давления вода, которая попала в клетки, быстро выходит из них и при этом разрушает клеточную стенку. Кроме этого происходит разогрев и также необходимо охлаждение во избежание потерь продукта из-за термоинактивации

Химические методы разрушения клеток. Как различные методы механической дезинтеграции, так и ультразвуковая дезинтеграция биомассы основаны на использовании механического разрыва клеточной оболочки - либо ее абразивное разрушение, либо разрыв ее за счет осмотических сил.

В ряде случаев более удобным оказывается разрушение клеточной оболочки за счет перевода в раствор отдельных ее компонентов, т. е. изменения ее состава и структуры, что делает ее более проницательной для клеточного содержимого. Одним из таких методов является детергентный лизис клеток. Биомасса продуцента в этом случае обрабатывается каким-либо из детергентов, который растворяет липидные компоненты клеточной стенки, после чего внутриклеточные компоненты через образовавшиеся поры вытекают в окружающую среду.

31. Оптимизация биотехнологических процессов по методу «крутого восхождения-спуска» Бокса–Уилсона.

По этому методу вблизи исходной точки («фона») ставится специальным образом спланированная небольшая серия опытов, в которой одновременно варьируются все изучаемые факторы, каждый на 2 уровнях (верхнем и нижнем). Результаты этих опытов математически обрабатывают для получения приближенного математического описания процесса в этой локальной области. Для двух уровней варьирования факторов можно найти только линейное уравнение, величина факторов входит в первой степени (его иногда называют уравнение регрессии). В уравнение могут входить также коэффициенты при S₁S₂, S₂S₃, S₁S₃ и так далее – мультипликативные члены, учитывающие межфакторные взаимодействия.

Уравнение используют для определения направления крутого восхождения, при котором возрастает выходной показатель Р наиболее круто по градиенту. Так происходит до тех пор, пока уравнение адекватно процессу. Что когда-нибудь оно станет неадекватным, очевидно, раз процесс имеет оптимум в виде «хребта» или «купола».

В направлении крутого восхождения ставят 5-6 проверочных экспериментов. В какой-то точке происходит снижение параметра оптимизации. Поскольку микробиологические процессы сложны и плохо воспроизводимы, планируемые опыты не приводят сразу к «тотальному» оптимуму. Поэтому в наилучшей достигнутой точке ставят новую серию «изучающих» экспериментов, и цикл крутого восхождения повторяется.

Точки 1,2,3 и 4 представляют собой начальную серию исследовательских экспериментов вокруг исходной среды А. их математический анализ дает уравнение, по которому определяют направление крутого восхождения (градиента), показанное на рисунке сплошной прямой, перпендикулярной к топографическим линиям поверхности отклика. Проверочные точки на прямой не представлены, указана только точка «перевала» при движении в этом направлении (точка 5), после которой значение выходного показателя начинает уменьшаться.

В этой точке проводят новую серию опытов 6,7,8 и 9, их обрабатывают, находят новое уравнение и по нему вновь ставят эксперименты в направлении крутого восхождения. В точке 10 достигнуто новое значение оптимума, уже весьма близкое к «тотальному». Линии крутого восхождения до «перевала» изображены сплошными, после – пунктирными. По методу Бокса–Уилсона всего за 2 подхода удалость получить близкий к оптимальному результат (по сравнение с методом Гаусса_Зайделя).