Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения Методические указания (стр. 5 из 7)

В замкнутых системах клетки в какой-то мере задерживаются в системе и их количество постоянно возрастает.

Непрерывный процесс может быть гомогенно- и гетерогенно-непрерывным. При гомогенно-непрерывном процессе в ферментаторе все параметры (концентрация питательных веществ, скорость роста микроорганизмов) постоянны во времени. При гетерогенно-непрерывном процессе несколько ферментаторов объединяют в батарею. При этом в отдельных ферментаторах условия постоянные, но они могут быть отличными от условий в другом ферментаторе.

Известны методы культивирования, занимающие промежуточное положение между непрерывным и периодическим:

Объёмно-доливной – среда порциями подаётся в аппарат и также порциями отбирается из него;

Добавление питательной среды к культуре без её отбора. Этот метод удлиняет время культивирования, но приводит к более полному использованию всех имеющихся в среде элементов питания.

Контрольные вопросы

1. Что включает периодическое культивирование?

2. На какие фазы делится периодическое культивирование?

3. Основные требования к биореакторам.

4. Основные требования к материалам ферментеров.

Задание для СРСП:

Биотехнологическое получение ферментных препаратов.
Биотехнологическое получение органических кислот и аминокислот.

Задание для СРС: оформить результаты практической работы № 4. Ответить на вопросы для самопроверки. Подготовиться к опросу по темам лекции и СРСП.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

Тема: ОСОБЕННОСТИ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ. ХЕМОСТАТ, ТУРБИДОСТАТ, ОКСИСТАТ. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРИМЕНЕНИЕ.

Цель: Изучить наиболее важные условия непрерывного культивирования. Сравнительная характеристика и применение.

Методическое обеспечение. Методические указания по выполнению практических работ.

Непрерывное культивирование подразделяют на открытое и закрытое. В открытых системах клетки постоянно вымываются вытекающей жидкостью со скоростью образования в системе новых клеток; в этих условиях легко достигается их устойчивая концентрация.

В закрытых системах клетки в какой-то мере задерживаются в системе и их количество постоянно возрастает.

Известны методы культивирования, занимающие промежуточное положение между непрерывным и периодическим:

Объёмно-доливной – среда порциями подаётся в аппарат и также порциями отбирается из него;

В практике современной индустриальной биотехнологии существует три главных типа биореакторов и две формы биокатализаторов. Биореакторы могут функционировать на основе разовой (однократной), восполняемой (неполностью) и непрерывной (продолженной) загрузки. А в самих реакторах культуры могут быть статическими и перемешивающимися, находиться в присутствии кислорода (аэробы) или без него (анаэробы), а также в водной фазе или условиях низкого увлажнения.

Модификацией процесса с разовой загрузкой является возобновляемая ферментация (feеd batch – от feеd-насыщающий), при которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата или для активации процесса. Однако в своей принципиальной основе подобные системы остаются замкнутыми, поскольку у них нет постоянного оттока содержимого.

В противоположность этому, ферментационная система, рассматривается как открытая, если ее компоненты ( микроорганизмы и питательные субстраты) могут постоянно добавляться и удаляться из биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или в целевой продукт должна быть точно сбалансирована со скоростью поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое состояние метаболических процессов в реакторе.

Хотя непрерывные процессы приобрели широкое практическое применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них используются в промышленности. Однако непрерывные процессы довольно широко практикуются в производстве одноклеточного белка;

За последние десятилетия форма биореакторов существенно изменилась. Первые (исходные) ферментационные системы представляли собой неглубокие емкости, перемешивание в которых осуществлялось либо путем их встряхивания, либо посредством перемешивания.

Аппараты с механическим перемешиванием

Эти реакторы имеют механическую мешалку с центральным валом и лопастями (лопатками), число которых обычно равно 6, реже 8. Лопасти могут быть прямыми или изогнутыми, часто их располагают в несколько ярусов, что обеспечивает более эффективное перемешивание больших объемов жидкости. В систему входят также отражательные перегородки – узкие металлические пластинки, прикрепленные к внутренним стенкам биореактора. Они предотвращают возникновение водоворотов и обеспечивают вихревое движение жидкости, равномерно распределяемое но всему объему реактора. Однако в ряде случаев они не могут быть применены (культивирование мицелиальных грибов), так как обрастают микроорганизмами (мицелием). Нежное и медленное перемешивание создается в биореакторах, предназначаемых для выращивания клеток животных и (в меньшей степени) растений.

В некоторых ферменторах используют полые мешалки, в которых воздух поступает в среду культивирования через отверстия в нижнем конце их валов и полые лопатки. Аппараты с механическим перемешиванием – наиболее распространенные конструкции в современной микробиологической промышленности.

Рис 1. Ферментер с механическим перемешиванием.

Аппараты с пневматическим перемешиванием

В такого типа аппаратах мешалка отсутствует и перемешивание жидкости осуществляется пузырьками газа (рис.2). Естественно, что скорость массообмена в них намного ниже, чем в ферменторах с механическим перемешиванием (с мешалками). Классическим аппаратом такого типа является эрлифтный реактор (air lift – подъем воздуха). Биореакторы с пневматическим перемешиванием характеризуются более мягким (плавным) перемешиванием содержимого и получили распространение при выращивании клеток животных и растений. Пневматические аппараты привлекают также простотой конструкции и малыми энергозатратами. Основной их недостаток – "тихоходность" Однако и это не всегда является недостатком, поскольку, например, в условиях "тихоходных" установок культуры клеток растений характеризуются биосинтетическими способностями, присущими целому растению.

Рис.2. Ферментеры с пневматическим перемешиванием: а) эрлифтный; б) пузырькового типа

Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоят в следующем: микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений и животных;

микробные клетки способны накапливать очень большие количества белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе);

в микробиологическом производстве вследствие высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность процесса; а сам процесс биосинтеза осуществляется в мягких условиях при температурах 30–45° С, рН 3–6 и давлении около 0,1 МПа. Помимо всего прочего, микробиологический путь получения богатой белком биомассы менее трудоемкий по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белка. Все эти преимущества и определили быстрое развитие технологии производства микробного белка, которое в настоящее время является самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии и открывает возможность промышленной продукции различных кормовых добавок для животноводства и птицеводства с помощью микроорганизмов. Причем получаемые продукты характеризуются высокой кормовой ценностью и в достаточных количествах. Большое число компаний во всем мире участвует в этих процессах и уже производится значительное количество достаточно ценных продуктов такого рода. Основной целью продукции одноклеточного белка является его содержание в препарате. Однако следует иметь в виду, что помимо белка микроорганизмы содержат также и другие вещества: углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты и различные минеральные соединения, часть из которых может оказывать и неблагоприятное действие на организм, при использовании в пищу человека или животных. Так, вследствие ограниченной способности человека деградировать нуклеиновые кислоты, прежде чем использовать одноклеточный протеин в качестве пищевого продукта, он должен подвергаться специальной обработке.

Контрольные вопросы:

1. Непрерывное культивирование подразделяют?

2. Три главных типа биореакторов?

3. Аппараты с механическим перемешиванием.