Оборудование для биотехнологического производства (стр. 5 из 6)
Течение вокруг частицы, составляющих слой насадки, и особенно смешения жидкой фазы в пустотах между частицами создают обратное смещение, которое может вызвать отклонение от режима полного вытеснения. В таких случаях можно применять дисперсионную модель или модель на основе каскада реакторов. Влияние небольшой дисперсии на работу реактора в сравнении с режимом идеального вытеснения мы уже обсуждали при изучении стерилизаторов.
15. Гидролиз растительного сырья. Преколяция
Производственной основой современной биотехнологии является микробиологическая промышленность, включающая гидролизные производства. Эти производства основаны на реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов биомассы одревесневшего растительного сырья с образованием в качестве основных продуктов реакции моносахаридов, которые подвергаются дальнейшей биохимической или химической переработке, либо входят в состав товарной продукции.
Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты, биологически активные препараты, мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.
Созданию отечественной гидролизной промышленности предшествовали многолетние исследовательские и опытные работы, которые обеспечили необходимые предпосылки для разработки современной технологии гидролиза растительного сырья и получения этанола, кормовых дрожжей, фурфурола, ксилита и других продуктов.
В качестве исходного сырья для получения этих веществ и продуктов используются источники органического углерода — различные углеводы, органические кислоты, а в производстве кормового белка и углеводороды нефти. Потребляемый микроорганизмами связанный азот используется в виде синтетического аммиака или его производных, а необходимый для биохимических процессов фосфор — в виде растворимых в воде солей фосфорной кислоты. В результате ферментативных процессов, протекающих в микроорганизмах, из этих веществ образуются разнообразные белки, нуклеиновые кислоты, жиры и многочисленные биологически активные вещества, к которым относятся витамины, антибиотики, ферменты и др.
Большая часть производств, объединяемых микробиологической промышленностью, основана на использовании в качестве источника углерода различных углеводов, накапливающихся в зеленых растениях. Под действием хлорофилла и света из углекислоты и воды в зеленых частях растений синтезируется сахароза С12Н22О11, из которой в результате сложных биохимических превращений образуется все разнообразие органических соединений, входящих в состав однолетних и многолетних растений.
Часть растений, накапливающих сахарозу в значительных количествах (сахарный тростник, сахарная свекла), используется в промышленности для ее получения. В других растениях сахароза превращается в резервный полисахарид — крахмал, получивший широкое применение как основной источник питания человека и многих животных, а также как сырье в ряде микробиологических процессов. Огромные ресурсы полисахаридов, часть которых ежегодно возобновляется, также являются потенциальным сырьем для ряда производств микробиологической промышленности. Однако перед использованием их в этом направлении полисахариды клеточных стенок должны быть вначале превращены в соответствующие моносахариды путем присоединения к ним элементов воды. Примером такой реакции может быть превращение целлюлозы в глюкозу:
Реакция присоединения воды к полисахаридам с образованием исходных простейших Сахаров носит название гидролиза (от двух греческих слов: хидор — вода и лизис — расторжение). Этот процесс положен в основу гидролизной промышленности, на предприятиях которой полисахариды клеточных стенок растений в результате реакции гидролиза превращаются в смесь моносахаридов: пентоз (С5Н1005) и гексоз (С6Н12О6).
Водный раствор продуктов гидролиза, получивший название гидролизата, после соответствующей очистки и подготовки используется на этих предприятиях в качестве среды для развития различных микроорганизмов. Последние в результате действия системы ферментов превращают, например, гексозиые сахара в этиловый спирт и углекислоту.
При гидролизе растительного сырья разбавленными кислотами возникают трудности применения единого режима вследствие большой разницы в скоростях гидролиза гемицеллюлоз и целлюлозы. В некоторых случаях эта разница является полезной и на ее основе строятся специальные технологические режимы. Так, при раздельном использовании пентозных и гексозных гидролизатов в микробиологической промышленности реакцию гидролиза растительного сырья, богатого пентозанами, осуществляют последовательно в две ступени. Вначале, применяя мягкий режим гидролиза, в моносахариды превращают большую часть гемицеллюлоз, почти не затрагивая целлюлозу. После удаления пентозного гидролизата остаток, состоящий из целлюлозы и лигнина (целлолигнин), гидролизуется в более жестких условиях.
Аналогичный процесс осуществляется при получении из растительного сырья фурфурола и гексозного гидролизата. Такие процессы можно рассматривать как двухступенчатые.
Ступенчатый метод гидролиза имеет большое значение и для гидролиза целлюлозного остатка. При одноступенчатом гидролизе целлюлозы количество образующегося сахара zизменяется во времени по кривой, проходящей через максимум. Дальнейшее продолжение гидролиза нецелесообразно из-за снижения общего выхода сахара в результате энергично протекающей реакции его разрушения. Однако при максимальном выходе сахара значительная часть целлюлозы еще остается не гидролизованной и теряется для производства. Во избежание этих потерь был предложен многоступенчатый метод гидролиза растительной ткани. Первая ступень гидролиза проводится в мягких условиях, на этой ступени гидролизуются гемицеллюлозы. Затем полученный гидролизат удаляется из гидролизаппарата, а целлолигнин гидролизуется снова в более жестких условиях до момента, отвечающего максимальному выходу сахара. Полученный гидролизат второй ступени также удаляется, а оставшиеся полисахариды снова гидролизуются в аналогичных условиях. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все полисахариды, содержащиеся в растительном сырье, будут гидролизованы.
При осуществлении этого способа гидролиза часть гидролизата предыдущей ступени остается в целлолигнине. Чтобы избежать возможной потери Сахаров при повторном гидролизе, после удаления гидролизата из целлолигнина последний промывается разбавленной кислотой и промывные воды присоединяются к основному гидролизату.
16. Мембранные методы выделения, концентрирования и обогащения продуктов биосинтеза
В настоящее время все большее распространение приобретают мембранные методы концентрирования и выделения различных веществ, хотя до сих пор в ряде производств БАБ (включая антибиотики, например, пенициллин) не удалось отказаться от традиционных способов выделения и очистки целевых продуктов (экстракция в системе "жидкость-жидкость", адсорбция на активированных углях, диализ).
Мембранные фильтры широко применяются в конструкциях небольших ячеек для культивирования клеток. Такие ячейки предназначены, как правило, для изучения действия факторов окружающей среды на популяцию клеток, обычно чистых культур, которые высеяны внутри ячейки. Во многих конструкциях ячеек использовались мембраны для ультрафильтрации или диализа (см. [230]), но микрофильтрационные мембраны намного лучше, поскольку они обеспечивают значительно более быструю диффузию питательных веществ и продуктов метаболизма клеток.
В зависимости от назначения можно конструировать ячейки самых разных типов. Главная идея состоит в том, чтобы диффузионная ячейка была изготовлена из инертного материала (плексигласа, поликарбоната) и включала в себя два мембранных фильтра, разделенных между собой достаточно большим просветом, необходимым для роста культуры клеток. Края мембранных фильтров должны быть хорошо загерметизированы, чтобы предотвратить подтекание растворов, но в то же времяотбор проб и демонтировка устройства не должны вызывать затруднений.
Рис. 11.1. Ячейка для культивирования, содержащая диализную мембрану для изучения загрязненности воды, а — схематическое изображение (из работы [149]); б — фото ячейки (любезно предоставлено Г. Мак-Фетерсомг Государственный университет Монтаны, США).
Загрязнение поверхности мембран особенно существенно, если ячейки работают на открытом воздухе, хотя в зависимости от характера эксперимента это может происходить и в лабораторных условиях. Органические вещества, бактерии и другие материалы могут легко адсорбироваться мембранными фильтрами и изменять их поверхность столь существенно, что ячейка для культивирования перестает работать, как положено. В сущности микроорганизмы, способные подвергать биодеградации матрицу мембраны (например, бактерии, разлагающие целлюлозу), могут образовывать колонии на внешней стороне мембраны и изменять характеристики ее проницаемости настолько, что она перестает функционировать должным образом.
Небольшие подвижные микроорганизмы, такие, как спирохеты, могут проникать через мембранные фильтры с размером пор 0,45 мкм. Хотя спирохеты, по-видимому, не могут пройти через мембраны с порами 0,22 мкм, скорость установления равновесия при "работе с мембранами со столь небольшими порами будет еще меньше по сравнению с той, которую мы рассмотрели выше, так что использование таких мембран будет малоэффективным. Из вышесказанного очевидно, что ячейки для культивирования этого типа будут работать должным образом лишь в том случае, если плотность популяции микроорганизмов вну+ри камеры невелика, и только при коротких периодах инкубации. Работа Мак-Фетерса и Стюарта [149] по выживанию ФКП в естественных водах была проведена с низкими плотностями популяции этих бактерий, и продолжительность опытов не превышала нескольких дней, так что использование подобных ячеек было оправдано. Другие области применения ячеек для культивирования в микробиологических исследованиях: для изучения процесса интродукции микроскопических грибов в почву с последующим анализом под электронным микроскопом. Репортер привел описание ячейки с мембранными фильтрами для изучения взаимодействия между корневыми .клетками растений и бактериями вида Rhizobiumjaponicum.