Основні принципи промислової організації біотехнологічних процесів
Ферментація, пристрій ферментера
Стадія ферментації - центральна серед етапів промислового виробництва. Під ферментацією розуміють всю сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлену і керується за допомогою терморегулятора середу інокулята до завершення процесів росту, біосинтезу або біотрансформації.
Ферментація проходить в спеціальних ємностях, званих ферментерами або біореактора. Конструкція біореактора приведена на рис. 3. Основними елементами ферментера є подвійні стінки, проміжок між якими заповнюється охолоджуючої або нагревающей рідиною, вхідні отвори для газових і рідких потоків, система контролю за складом живильного середовища і умовами всередині реактора.
Оскільки в промислової біотехнології виділяють 2 типу процесів - накопичення біомаси і накопичення цінних речовин, що виникають в ході росту і подальшого розвитку культури, то змінюється і характер побудови виробництва в часі. Біомаса одноклітинних вирощується безперервним способом в апаратах хемостатного типу, а всі процеси другої групи здійснюються періодично, коли в одному і тому ж апараті в виробничому циклі протікають всі необхідні фази розвитку клітин і біосинтезу. Процеси двох розглянутих типів відрізняються за вимогами до ступеня асептики, що пов'язано з їх обсягами - білок одноклітинних випускається мільйонами тонн сухої речовини, а випуск продуктів другого типу становить, як максимум, тисячі або десятки тисяч тонн. Тому у виробництві білкових речовин обмежуються досить високою, але не 100% ступенем асептики, забезпечуючи останню підбором режиму культивування, придатного для продуцента, але несприятливого для можливих домішкових штамів.
Технологічне оформлення процесів промислової біотехнології в значній мірі визначається відношенням мікроорганізму-продуцента до кисню. При використанні аеробних культур ферментаційне обладнання і норми технологічного режиму підбираються таким чином, щоб массообмен (перенесення кисню з газової в рідку фазу) забезпечував надходження кисню до клітин в кількостях, необхідних і оптимальних для даної культури в цій фазі зростання.
Промислове використання факультативних анаеробів не ставить завдання абсолютного виключення кисню з середовища, тому процеси цього типу (бродіння) технологічно простіше аеробних. У початковій фазі цих процесів потрібно лише видалити кисень з газової фази над культуральної рідиною, що може бути досягнуто введенням інертного газу або просто витісненням повітря вуглекислотою, що виділяється клітинами при метаболізмі.
Технологічне оформлення строго анаеробних процесів складніше, ніж для процесів бродіння, так як в цьому випадку необхідно повністю виключити можливість потрапляння кисню в газову, а звідти і в рідку середу.
Мал. 3. Пристрій ферментера
Питання термостатирования ферментаційного процесу (підведення або відведення тепла в ході ферментації) є дуже гострими в цілому ряді виробництв біотехнології. В аеробних умовах мікробіологічний синтез протікає зі значним виділенням тепла, що викликає необхідність відводу тепла з апаратів великого обсягу (сотні і тисячі кубометрів). Технологічні вимоги до швидкості тепловідведення дуже жорсткі через вузького температурного оптимуму зростання культури (2-3up> о С). Найбільш оптимальний на практиці спосіб тепловідведення - охолодження водою через змійовики, оболонки і ін. Пристрої - ускладнюється незначною різницею температур між вмістом біореактора (32-34 о С для дріжджів Candida) і охолоджуючої водою (20 ° С), температура якої в жарку пору року ще вище. Тому в реакторі створюється розвинена поверхня газообміну, збільшується швидкість руху рідин і т.д.
Важливо також підтримувати певний склад живильного середовища. У безперервних процесах біосинтезу завдання технолога зводиться до підтримки концентрації всіх поживних речовин (і кисню) і дозованому введенню кислоти або лугу для рН-статірованія системи на заданому рівні. Найпростішим варіантом управління стадією ферментації в періодичному режимі є зміна концентрацій компонентів середовища і її рН, а також введення необхідних добавок за заздалегідь розробленою програмою, яка реалізується технологом в кожному циклі ферментації. Цей спосіб відносно простий і легко піддається автоматизації.
У багатьох випадках необхідно можливо повно вичерпувати компоненти живильного середовища, щоб вони не потрапляли на наступні стадії переробки. Ця необхідність може бути викликана низкою причин:
- дорожнеча або дефіцитність субстрату;
- шкідливий вплив субстрату на якість готового продукту (наприклад, при виробництві дріжджів на парафінах. коли виділення залишкових кількостей вуглеводнів з клітинної маси утруднено, тому додають додаткові секції для дозрівання або утилізації запасених в цитоплазмі вуглеводнів);
- труднощі, що виникають на стадії виділення і очищення метаболітів при одночасному присутності в культуральній рідині неутилізованих речовин.
Інші розділи: