підготовка поживних середовищ включає ряд операцій:
зберігання компонентів поживних середовищ та допоміжних речовин;
контроль показників якості;
дозування та приготування композиції компонентів поживного середовища;
при необхідності стерилізація.
Вибір способу підготовки поживного середовища визначається типом біотехнологічного виробництва. І в цьому випадку приймаються до уваги:
тип культивування (поверхневе або глибинне);
тоннажність виробництва.
рівень асептичності стадії біосинтезу можливі варіанти – асептичне, умовно асептичне та не асептичне;
термолабільність середовища взагалі або його компонентів (субстратів);
спосіб стерилізації (періодичний або безперервний);
При виробництві біологічно активних речовин необхідно здійснювати численні допоміжні операції в рамках проведення допоміжних робіт. Приготування поживного середовища супроводжується експлуатацією різних типів ємкісного устаткування і зараз актуально звернути увагу на цей вид устаткування. Це тим більше актуально у зв’язку з тим, що коректний вибір устаткування як елемент проектування, дозволяє впливати на ефективність технології.
До ємкісного устаткування, вживаного на біотехнологічних підприємствах для зберігання рідких середовищ та компонентів середовищ, відносяться резервуари і ємкісні апарати.
Основними характеристиками апаратів ємкостей є їх геометрична та робоча місткість, робочий тиск і матеріал, з якого апарат виготовлений. Ємкісні апарати можуть бути суцільнозварними або із з’ємними кришками; вони можуть мати сорочки або інші внутрішні елементи для теплообміну, люки для завантаження і вивантаження, а також штуцера нетехнологічного призначення для встановлення приладів контролю і регулювання параметрів процесу. Ємкісні апарати бувають вертикального або горизонтального типу.
Для тривалого зберігання рідких продуктів на складах загальнозаводського зберігання частіше застосовують резервуари горизонтального типу, чим вертикального. Для підтримки однорідності сировини резервуари забезпечені переливними трубами, розташованими на різних рівнях, і системою гомогенізації. Для адекватного представлення апаратів на апаратурній схемі потрібно пам’ятати, що резервуари забезпечені штуцерами: для завантаження сировини і подачі стислого повітря, манометра, запобіжного клапана, воздушника, покажчика рівня, спуску залишку продукту, трубою передавлювання і люками. Оскільки резервуари знаходяться на відкритому просторі загальнозаводських складів, вони як правило, обладнані підігрівачами змієвикового типу, всередину яких подається пара для розігрівання продукту в холодну пору року. Видача рідких середовищ може здійснюватися самопливом, а також передавлюванням стислим повітрям або інертним газом при тиску від 0,3 до 1,6 МПа.
Збірники - сталеві зварні ємкісні апарати з сорочками або без них і без механічних перемішуючих пристроїв. Відмінністю збірників від реакторів і є відсутність мішалки у збірників. Збірники, як правило знаходяться у виробничих приміщеннях.
Ємкісні без перемішуючих пристроїв — збірники встановлюють між апаратами різних технологічних стадій виробництва з метою підвищення коефіцієнта використання основного технологічного устаткування, забезпечення ритмічності його роботи, а також для сполучення безперервних і періодичних стадій
Мірники призначені для прийому, зберігання і видачі рідин і розраховані на максимальний робочий тиск до 0,6 МПа. Залежно від температурного режиму апарати можуть бути з сорочкою або без сорочки. Корпус апаратів виготовляють з вуглецевої сталі або корозієстійких сталей, а також з двошарової сталі.
Апарати з механічними перемішуючими пристроями – реактори застосовуються в біотехнології для проведення різних хімічних реакцій (наприклад, нейтралізація, підкислення), для інтенсифікації масо- і теплообміну, а також для отримання суспензій, емульсій і сумішей твердих речовин. Це змішувачі для приготування розчинів компонентів живильних середовищ, збірники культуральної рідини, місткості для змішування рідин із стабілізаторами або захисними засобами — реактори і т.д.
Оскільки спосіб стерилізації впливає на якість отримуваної продукції, необхідно ретельно аналізувати кожний із можливих методів та підібрати найоптимальніший із них.
Приготування поживного середовища проводять різними способами в залежності від способу стерилізації. Якщо процес стерилізації проводять періодичним способом безпосередньо у ферментері, то всі компоненти середовища розчиняють у воді і змішують в одному реакторі. У випадку проведення безперервного процесу стерилізації компоненти середовища вуглеводного складу готують окремо від компонентів середовища, що містять азотисті речовини.
Періодична стерилізація здійснюється безпосередньо у ферментері та передбачає нагрівання поживного середовища до 135°С, витримку її при цій температурі протягом години, охолодження до 45 – 35 °С. Такий процес має ряд недоліків:
- достатньо велика тривалість процесу;
- утворення в процесі стерилізації злиплених комків різної величини;
- протікання цукрово-амінних реакцій, які приводять до утворення
меланоїдінів, які, в свою чергу, сповільнюють ріст мікроорганізмів.
По конструктивному оформленню стерилізатори періодичної дії для стерилізації сипких поживних середовищ діляться на горизонтальні одноступінчаті і двохступеневі, суміщені двохступеневі з одним вертикальним ступенем, а інший — горизонтальною і безперервної дії — горизонтально вібраційні.
Як теплоносій для всіх перерахованих стерилізаторів застосовується насичена водяна пара. Перевагами теплової обробки парою є її легке транспортування, здатність проникнення в труднодоступні вузли стерилізаторів, трубопроводів і арматури, велика тепловіддача при конденсації, нетоксичність.
Конденсат водяної пари не змінює складу середовища і, зволожуючи спори, сприяє збільшенню швидкості їх загибелі в 10— 1 000 разів.
Процеси періодичної стерилізації рідких середовищ здійснюються або в спеціальних апаратах, або безпосередньо у ферментерах після їх завантаження.
У промисловості для стерилізації рідких середовищ широко застосовуються установки стерилізації УНС-5. УНС-20 і УНС-50 продуктивністю відповідно 5, 20, 50 м3/ч, а також зарубіжні установки фірми «Де-лаваль» і роторного типу.
Стерилізація рідких розчинів може бути здійснена також шляхом видалення мікроорганізмів при їх фільтрації через асбестоцелюлозні мембранні фільтри типів МФАЗ і -4.
В біотехнології для стерилізації сипких поживних середовищ парою широко застосовуються циліндрові стерилізатори горизонтального типу, забезпечені пароводяною сорочкою.
Безперервна стерилізація. Використовуючи лінії безперервної стерилізації можна переробити за відносно короткий час будь-яку кількість матеріалу без перегрівання і перетримування. Стандартні лінії мають деякі відмінності, але працюють за єдиним принципом. Наприклад, в лінію може бути включена буферна ємність між реактором-змішувачем і нагрівачем. Нагрівач може бути виконаний у вигляді колонки, в яку знизу подається рідина, а зверху через перфоровану трубку – гостра пара. Вважається, що найбільш досконалим нагрівачем є колонка, в яку зверху тангенціально подається рідина, а в центр закрученого потоку подається пара.
Стадії основного технологічного процесу починаються з отримання посівного матеріалу, продовжуються у вигляді промислового біосинтезу і закінчується виділенням та стандартизацією готового продукту.
1. Проектування відділення біосинтезу
Найбільш складною і відповідальною ділянкою біотехнологічного виробництва є стадія біосинтезу, основною метою якого є отримання максимальної кількості цільового продукту у межах генетично детермінованих властивостей біологічних агентів, за рахунок оптимізації факторів оточуючого середовища. В умовах промислового виробництва оточуюче середовище штучно створюється в спеціальній апаратурі – ферментері (біологічному реакторі).
2. Проектування відділення виділення цільового продукту
В результаті біосинтезу отримують культуральну рідину або твердофазну культуру, що включає клитини мікроорганізмів, залишки поживних речовин, різні позаклітинні продукти метаболізму та ін. Вміст біомаси або іншого цільового продукту в культуральній рідині зазвичай не перевищує 3—4% сухої речовини. Концентрування і отримання товарної форми продукту з культуральної рідини або твердофазної культури здійснюють при подальшій переробці.
3. Отримання концентратів
У тих випадках, коли допускається застосування продукту біосинтезу в неочищеному вигляді (шкіряна, спиртова промисловість, сільське господарство), доцільно випускати цей продукт у вигляді концентрату. Це найбільш простій і дешевий спосіб отримання товарної форми.
4. Отримання очищених препаратів
При виробництві ферментів, амінокислот, антибіотиків і інших продуктів мікробного синтезу стоїть завдання виділити цільовий продукт з культуральної рідини і отримати його в чистому вигляді. Це складне технічне завдання, для її вирішення потрібне багатостадійне селективне розділення сумішей. В технології отримання очищених продуктів мікробного синтезу характерне зменшення масштабності стадій від початкових до кінцевих (зменшення об’єму рідини що переробляється). Це обумовлено малою концентрацією цільових продуктів в культуральнії рідині і їх концентрацією в процесі виділення і очищення.
4.1. Розділення фаз культуральної рідини
Ця процедура вимагає великих витрат, оскільки пов’язана з переробкою великих об’ємів суспензій. Для інтенсифікації цієї стадії і зниження втрат цільового продукту рідина перед розділенням фаз, як правило, піддають спеціальній обробці. В результаті змінюється структура осаду, що забезпечує максимальний ступінь переходу продукту в ту фазу, з якої його далі виділяють, а також видалення домішок, що утрудняють добування цільового продукту. Залежно від вимог до повноти відділення дисперсної фази і особливостей культуральної рідини для розділення використовують процеси фільтрації, відцентрової сепарації або фракціонування на віброситі.
4.2. Виділення цільової речовини і отримання готового продукту
На наступному етапі технологічного циклу цільовий продукт відокремлюють від основної маси домішок і концентрують. При цьому використовують в основному ті ж процеси, як і при виділенні продукту з нативного розчину в різних поєднаннях. У необхідних випадках проводять додаткове очищення розчинів спеціальними сорбентами.
4.3. Мембранні методи розділення
Звичайна фільтрація використовується для відділення від рідини достатньо крупних частинок твердої фази (50—100 мкм і більш). Для відділення дрібніших частинок (2—5 мкм), а також для розділення розчинів використовують мембранні способи. До них відносяться мікрофільтрація, діаліз, електродіаліз, зворотний осмос і ультрафільтрація. Особливістю всіх цих методів є застосування напівпроникних мембран. Переваги мембранних методів розділення біологічних суспензій і розчинів наступні: відсутність температурних, механічних і хімічних дій на продукт, що переробляється; простота апаратурного оформлення, відсутність рухомих деталей; низька енергоємність процесу; можливість забезпечення герметичності і асептики процесу.
4.4. Сушіння
Сушіння є кінцевою стадією виробництва багатьох продуктів мікробного синтезу, іноді її застосовують як проміжний процес при отриманні високоочищених препаратів. Для сушки біологічних об’єктів застосовують різноманітні способи і установки. Вони розрізняються по агрегатному поляганню вологи у висушуваному матеріалі (сушка з рідкого стану або з твердого), а також за способом підведення теплоти (контактна, конвективна і радіаційна). Вибір способу сушки залежить від виду початкового матеріалу (концентрированний розчин, паста, суспензія), його вологості, термостабильности і т.д. Найбільші труднощі зазвичай виникають при висушуванні живих мікроорганізмів у виробництві бактерійних препаратів і сухих дріжджів, ферментів, деяких антибіотиків і інших термолабільних препаратів.