Ферментация

   СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ
2. ПРЕДФЕРМЕНТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕДУРЫ
1. ТРАНСПОРТ И ДОЗИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЖИДКИХ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
3. СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД

4. ДОЗИРОВАНИЕ ЖИДКИХ СТЕРИЛЬНЫХ
5. ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
6. И ДРУГИХ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ:
7. ПЕНОГАСИТЕЛИ, КОРРЕКТИРУЮЩИЕ
8. РН РАСТВОРЫ, ПОДПИТКА

3. ПРОВЕДЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ
1. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ БИОРЕАКТОРА
1. ТИПЫ  ФЕРМЕНТАТОРОВ И ОСОБЕННОСТИ  ПРОЦЕССОВ  КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
2. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА БИОРЕАКТОРОВ
4. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ
1. ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
2. ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ БИОМАССЫ

3. ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОБНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
4. ПОЛУЧЕНИЕ БИОМАСС (КОРМОВЫХ, ОСЛАБЛЕННЫХ И ЖИВЫХ)
5. ПОЛУЧЕНИЕ ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ВВЕДЕНИЕ

   Рассмотрение  технической реализации основных биотехнологических процессов, в первую очередь техники ферментации, целесообразно вести на основе универсальной технологической схемы, либо, как уже отмечено, аппаратура создается (подбирается) для реализации определенной технологии.

   В части схемы, касающейся обработки  продуктов ферментации, учтены следующие  основные товарные формы продуктов: концентраты, биомассы, очищенные целевые продукты.

   Схема в принципе охватывает все варианты культивирования:

1. глубинное и поверхностное (на жидких и твердых средах);
2. периодическое, отъемно-доливное и непрерывное;
3. стерильное и условно стерильное;
4. аэробное и анаэробное;
5. с использованием биокаталитических реакций (реактор полного перемешивания, иммобилизованные (ферменты, биомасса) системы и др.);
6. массовое культивирование растительных и животных тканевых клеток (кроме ряда специальных методов, используемых в лабораторных и пилотных масштабах, которые рассмотрены, например, в работе).

   Предферментационные процессы начинаются с приготовления  питательных сред в реакторе (1), далее проводится ее термическая стерилизация путем максимально быстрого нагревания до температуры стерилизации (4), выдержки (5) и максимально быстрого охлаждения до  температуры  ферментации  или  на  несколько градусов выше ее (6). В схеме, во избежание чрезмерного усложнения, не отражена холодная стерилизация (ультрафильтрация) термолабильных компонентов (раздельная стерилизация сред). Доминирующими в настоящее время в промышленности являются аэробный (10) и анаэробный (9) ферментаторы (биореакторы). В схеме отражены и поверхностные ферментаторы как на твердых (12), так и па жидких (13) средах. Будущее принадлежит биокаталитическим реакторам (11). Принципиальную роль в определении товарной формы продуктов играют сепаратор (15) и дезинтегратор биомасс (18).

   

   Рис. 4.1. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов.

   1  — реактор  для  приготовления   питательных  сред;  2   —  вихревой  насос;  3 —  аппарат  для приготовления   и   стерилизации   сред   из   нерастворимых   субстратов   для   поверхностной   и твердофазной   ферментации;   4   —   паровая   колонка   для   подогрева   питательных   сред  до температуры   стерилизации;   5   —   выдерживатель   питательных   сред   при   температуре   стерилизации;  6    -  теплообменник для  охлаждения  стерильных  питательных  сред;  7 —  мерник   —   сборник   питательной   среды;   8   —   дозатор;   9   —   анаэробный   ферментатор;   10   — основной глубинный  аэробный   ферментатор;   11  —   биокаталитический реактор;   12 —  различные   конструкции   поверхностных   и   твердофазных   ферментаторов;   13  —   поверхностный ферментатор   (протва)   на   жидких  средах;   14   —   экстрактор;   15   —  сепаратор   для   отделения   биомассы;   16  — система  локальной  автоматики  с  или   без   ЭВМ  для   поддерживания режимов   биосинтеза   (АСУТП);   11   —   плазмолизатор   биомассы  для   кормовых   препаратов; 18  —   дезинтегратор   биомассы;   19  —   выпарная  установка:   20  —   фракционирование   дезинтегратов;   21   —   сушилка   и   другие   аппараты   для   обезвоживания;   22   —   аппаратура   нормализации  и расфасовки; 23 —  ионообменные колонны,   мембранная  аппаратура,   аппараты реализации   химических   методов   выделения,   центрифуги,    фильтры,    выпарные   установки, кристаллизаторы  и  другие  устройства.

   Условные    обозначения:    рН     -   растзор   дл   корректировки   рН;    П   —   компоненты   и   среды   для   подпитки:   Нос   —   посенной   материал:   В   —   стерильный   сжатый воздух;   ПАВ   -     стерильный   пеногаситгль   (поверхностно-активные   вещества);   Ср   —   стерильная   питательная   среда;   для   процессов   брожения,   получения   кормовых   дрожжей   и др.  — условно стерильная;   БА —  биологический  агент.  

   ПРЕДФЕРМЕНТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕДУРЫ

   ТРАНСПОРТ И ДОЗИРОВАНИЕ  КОМПОНЕНТОВ ПИТАТЕЛЬНЫХ  СРЕД

   По  разнообразию и свойствам компонентов  питательных сред биотехнология  весьма близка к пищевой промышленности. Поэтому в качестве дозирующего оборудования для подачи компонентов сред в реактор для приготовления сред главным образом применяются весовые и объемные устройства из арсенала пищевой, химической и других отраслей промышленности. Транспорт осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами, элеваторами, контейнерами и мешками на передвижных средствах и т. д. Сыпучие компоненты питательных сред нередко из транспортной тары засасывают в реактор вакуумом. Для этого к реактору подключают вакуум-насос.

   Нередко применяется принцип предварительных  смесей, например, соли предварительно растворяются, транспортируются насосами по трубопроводам и дозируются по объему.

   Ряд солей может поставляться на предприятие  в жидком виде. В этом случае хранение и все внутризаводские транспортные операции существенно упрощаются.

   Вместо  аммиачной воды в последних проектах предусматривается применение жидкого аммиака и его подача в газообразном состоянии в линию воздуха или в ферментатор по самостоятельному трубопроводу. Жидкий аммиак по проекту Латгипропрома поступает на завод в железнодорожных цистернах и хранится в рессиверах. Его транспорт и превращение в газообразное состояние осуществляется холодильной машиной МКТ 22-7-2 завода «Черкесскхолодмаш» в составе: компрессор аммиачный АВ-22, конденсатор КТГО-6Б, испаритель кожухотрубный ИТГ-9Б. Стерилизация (фильтрация) газообразного аммиака значительно проще холодной фильтрации аммиачной воды.

   В большинстве случаев выбор средств  внутризаводского транспорта и дозирования компонентов питательных сред серьезных инженерных трудностей не представляет. 
 

   ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЖИДКИХ ПИТАТЕЛЬНЫХ  СРЕД

   Жидкие  питательные среды приготавливаются в реакторах с мешалкой. В зависимости  от совместимости и растворимости  компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы и их системы. Если в состав сред входят нерастворимые компоненты (мука, мел и др.), технология средоварения усложняется (разваривание муки и т. п.), однако аппаратурная схема сохраняется. Реакторы выбираются с якорными или другого вида мешалками для взвесей. Для транспорта таких сред применяются специальные, допускающие наличие в среде взвесей насосы.

   В конкретных технологиях могут быть применены специальные более  сложные схемы и аппаратура для  получения сред. Так, например, при производстве хлебопекарных дрожжей мелассные среды для получения нужного качества продукта специально осветляются. При производстве пива и этанола процесс средоварения включает осахаривание крахмала. Мучные среды могут быть подвергнуты дезинтеграции. При производстве кормовых дрожжей на гидролизатах из последних удаляется фурфурол. Нередко в состав сред входят экстракты или гидролизаты каких-либо продуктов, получение которых также относится к процессу средоварения. Если в рецептуру входят слаборастворимые ингредиенты, процесс эмульгирования также относится к средоварению.

   В последних проектах для определения массы содержимого реакторов, мерников и промежуточных емкостей широко применяются тензометрические. Диапазон 40—800 кг.

   СТЕРИЛИЗАЦИЯ  ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД

   В настоящее время доминирует термический  метод стерилизации питательных сред. Холодная стерилизация (фильтрация) применяется для термолабильных компонентов. Эти среды не должны содержать нерастворимых веществ.

   Наиболее  часто применяемая принципиальная схема стерилизации включает подогрев среды острым паром  (в стерилизационной колонке) с последующим ее выдерживанием при нужной температуре и охлаждением.

   Время стерилизации среды (выдержку) регулируют путем изменения длины труб или количества пластинчатых теплообменников, температуру — подачей пара на подогрев. Для сред, содержащих термолабильные компоненты, необходимое время выдержки составляет иногда 18—20 мин при сравнительно низкой температуре, что трудно реализовать в проточных выдерживателях. Например,   при   производстве   кормового   лизина   в   этом   случае применяются многокорпусные объемные выдсрживатели с перемешиванием (увеличением скорости потока) при передаче среды последовательно из корпуса в корпус.

   Контрольно-измерительная  и управляющая аппаратура линии  стерилизации размещена на отдельном  пульте управления или на общем пульте цеха ферментации.

   Посевные  питательные среды рекомендуется  стерилизовать, а иногда приготавливать непосредственно в посевных ферментаторах. Последнее упрощает аппаратуру и уменьшает вероятность получения нестерильной культуры.

   Стерилизация  питательной среды для периодического процесса главной ферментации решается по-разному. Непрерывная стерилизация вне аппарата обеспечивает экономию тепла и минимум термической экспозиции питательных компонентов, хотя технически сложно осуществима и связана с повышенной вероятностью нестерильных операций, особенно на средах с нерастворимыми компонентами. Второй вариант — подача среды, нагретой до температуры стерилизации, в рабочие ферментаторы с последующей ее выдержкой и охлаждением в аппарате — более простой и надежный в отношении гарантий стерильности. Расход тепловой энергии и вероятность ухудшения свойств среды в результате длительного термического воздействия в этом случае возрастают.

   При синтезе вторичных продуктов  нередко необходимы более концентрированные  среды для подпитки. Их стерилизация в принципе не отличается от таковой для основных сред. Однако обычно верхний предел допустимого содержания в них сухих веществ все же определяется техническими параметрами линии стерилизации (образование накипи, оседание и др.), а температура стерилизации и время выдержки — составом среды (допустимая карамелизация и другие реакции компонентов среды).

   Линии стерилизации сред для непрерывных процессов не отличаются от таковых для периодических.

   Холодная  стерилизация, как уже было отмечено, применяется в настоящее время  только для термолабильных компонентов — раствора мочевины, аммиачной воды и других корректирующих рН растворов — для классической биотехнологии, ряда сложных сред — для нетрадиционной биотехнологии. Основным аппаратом линии холодной стерилизации является мембранный фильтр. Ведущие иностранные фирмы «Полл корпорейшн», «Миллипор» и другие предлагают ряд мембран из полипропилена, целлюлозы, пористой нержавеющей стали, спеченной тканой проволочной сети, микроволохна, нейлона, эпоксидной смолой целлюлозы и других материалов. Мембраны чаще всего оформлены в виде фильтрующих патронов. Например, «Полл корпорейшн» наиболее часто предлагает патроны диаметром 70 мм, длиной 250—760 мм. Корпуса патронов изготавливаются из нержавеющей стали.