Тема 5. Контроль и управление биотехноло-гическими процессами. Регламентация биотехнологических производств

Эффективность процесса ферментации зависит от множества факторов, т.е. условий его протекания. В биотехнологических производствах культивирование организмов должно осуществляться с поддержанием оптимальных (наилучших) значений этих факторов. Для поддержания оптимальных условий культивирования необходимо иметь возможность постоянно контролировать и управлять ими.

Из группы физико-химических факторов основными являются температура и рН среды культивирования. Температуру обычно регулируют путем изменения расхода хладоагента для аэробных процессов, сопровождающихся выделением тепла или теплоагента для анаэробных процессов, связанных с поглощением тепла. Хладоагент или теплоагент подаются в наружные или внутренние теплообменные устройства биореактора (ферментатора). Оптимальные значения рН поддерживаются подачей в биореактор раствора щелочи или аммиачной воды, либо кислоты.

Давление в газовой фазе над жидкостью в биореакторе поддерживают избыточным (0,1-0,25 ати) для предотвращения попадания в биореактор посторонних микроорганизмов извне через патрубок выхода воздуха и, таким образом, для поддержания стерильных условий процесса. Для поддержания избыточного давления используется клапан, установленный на линии для выхода газов из биореактора.

Важнейшим фактором для культивирования аэробных микроорганизмов является обеспеченность культуры растворенным кислородом. Контроль уровня (концентрации) кислорода, растворенного в жидкой фазе биореактора, осуществляется с помощью кислородного датчика, а регулирование количества кислорода проводится путем изменения:

- расхода воздуха на аэрацию (барботаж);

- частоты вращения мешалки;

- давления в газовой фазе (если это позволяют возможности оборудования).

Для аэробных микроорганизмов кислород выступает в качестве легкоусвояемого субстрата наряду с другими неорганическими и органическими питательными веществами – компонентами питательной среды (см. тему 1).

В процессе культивирования компоненты питательной среды не должны ингибировать или оказывать токсического действия на микроорганизмы, а их концентрации должны быть достаточными для обеспечения энергетического и конструктивного обмена микроорганизмов. Оптимальные концентрации питательных веществ в процессе потребления микроорганизмами можно поддерживать путем подачи в ферментатор их растворов (периодически в качестве так называемых «подпиток» субстратом или непрерывно с потоком питательной среды).

Следует отметить, что важную роль в процессе культивирования играет концентрация биомассы, поскольку, независимо от того, что является целевым продуктом – сама биомасса (пекарские или кормовые дрожжи) или продукты, получаемые в процессе метаболизма (ферменты, антибиотики, аминокислоты, этанол, биогаз, биологически очищенная вода и др.) – поддержание высокой концентрации биомассы в активном состоянии обеспечивает производительность биотехнологического процесса.

Возможность управления процессом ферментации при периодическом, полунепрерывном (отъемно-доливном) или непрерывном способе его реализации во многом обусловлена их преимуществами и недостатками.