36.Обґрунтування вибору способу культивування (біосинтезу).

Процес виробництва біологічно активних речовин в тому числі і біомаси технологічно і технічно може реалізовуватися різними способами. Особливості обраних способів біосинтезу впливатимуть на хід всього виробничого процесу. Культивування продуцентів продуцентів біологічно активних речовин можна здійснювати двома способами: поверхневим і глибинним.

Поверхневий спосіб вирощування

Культуру вирощують в тонкому шарі сипучого середовища з природною або примусовою аерацією. Спосіб не є актуальним, оскільки суттєвими недоліками вирощування поверхневим методом являються велика трудомісткість робіт, необхідність у громіздкому обладнанні, недосконала гігієна праці. При цьому отримуваний продукт часто має незадовільну якість і активність препарату, як правило, низька. У зв’язку з цим поверхневий метод отримання біологічно активних речовин витіснився глибинним.

Глибинний спосіб вирощування

При глибинному способі культуру вирощують на рідкому середовищі при перемішуванні і примусовій аерації. Метод глибинного вирощування застосовується в двох формах: культивування в умовно-асептичних умовах та культивування в асептичних умовах. Культивування умовно-асептичне Посівну культуру готують в стерильних умовах, але біосинтез проводять у відкритих ферментерах. Аерація з одночасним перемішуванням досягається за допомогою перемішувачів різних конструкцій, наприклад, типу полої труби.

Асептичний біосинтез

Глибинне культивування проводять у ємностях, що називаються ферментерами. Основна вимога до ферментеру – можливість проведення процесу культивування продуцента в асептичних умовах при інтенсивній аерації середовища. У процесі культивування маємо справу зі складною трьохфазною системою рідина – тверде тіло – газ. У такій системі утруднені масообмінні процеси, і тому ускладнюється апаратурне оформлення всієї стадії вирощування. Вирощування проводять при постійній аерації. Повітря для аерації через трубопровід поступає на очищення у фільтр і в очищеному вигляді подається в середовище. Необхідна для вирощування температура (27 - 28°С) підтримується подачею води в сорочку чи охолоджуючі труби. Для усунення піни, що утворюється в процесі вирощування додається піногасник із дозатора. Отже, основним призначенням аеруючого обладнання в ферментері є забезпечення умов для максимального розчинення кисню повітря, щоб в середовищі при вирощуванні культури знаходився вільний розчинений кисень.

37. Класифікація ферментерів: вимоги до вибору типового ферментера.

Серед базових вимог (обмежень), які потрі

Перший метод є більш надійним та ефективни бно враховувати при конструюванні або виборі типового ферментера необхідно виділити наступні:

- гідродинамічна обстановка у ферментері повинна забезпечити одночасну реалізацію масопереносу в двох-(поживне середовище – клітини біологічного агента, трьох- ( газ – поживне середовище - клітини біологічного агента), і чьотирьохфазних (газ – поживне середовище – клітини біологічного агента – нерозчинний або слабо розчинний субстрат) системах;

- технологічне рішення стадії біосинтезу – періодичний процес, напівперіодичний або безперервний.

- продуктивність процесу (продуктивність виробництва - потужність) по цільовому продукту і в цьому випадку враховується вид цільового продукту – біомаса, метаболіт або їх композиція. Продуктивність процесу дозволяє визначити потрібний об’єм, тривалість циклу роботи. Умовно пропонується використовувати лабораторні місткістю 0,5—100 л, пілотні місткістю 100л—10 м³, промислові (для ведення робіт основного технологічного процесу) місткістю 10 — 100 м³ і більше.

- існування широкого спектру діапазонів швидкостей росту – час генерації знаходиться в діапазоні від десяти хвилин до декількох діб і це визначає доволі різноманітний діапазон терміну культивування під час якого потрібно підтримувати стабільні параметри оточення;

- високі вимоги до рівня асептики в процесі культивування (забезпечення асептики реалізується за рахунок проведення робіт ДР та надійність інженерного оформлення під час культивування);

- при культивуванні аеробних біологічних агентів єдиним економічно доцільним джерелом кисню є повітря (вміст кисню – 21%), при цьому виникає ряд вимог до процесу масопередачі на фазових переходах газ – культуральна рідина та культуральна рідина – клітина;

- процеси біосинтезу супроводжуються інтенсивним піноутворенням, що обумовлює зниження корисного об’єму ферментера і визначає негомогенність культуральної рідини;

- інтенсифікація біотехнологічних процесів несуттєво залежить від конструктивних змін в апаратурі; процеси біосинтезу і в основному, детерміновані генетичним потенціалом біологічного агента.

Вибір типу ферментеру, конструювання нового ферментаційного обладнання, модернізація відомих конструкцій можливе тільки в тому випадку, коли врахована специфіка технологічного процесу і фенотипічні ознаки біологічних агентів. Конструктивний розрахунок ферментеру, розрахунок гідродинамічних, масообмін них, теплообмінних характеристик, врахування умов диспергації фаз, утворення потоків, рівень сегрегації поживного середовища можна реалізувати тільки для конкретних типів апаратів.

На сьогоднішній день відома значна кількість класифікацій ферментерів в яких враховуються різні конструктивні, експлуатаційні та технологічні особливості ферментерів. В більшості випадків ферментери класифікують по засобу введення енергії, так як енергетичні чинники обумовлюють гідродинамічні та масообмінні показники.

Класифікація ферментерів за способом введення енергії дозволяє згрупувати їх в блоки для яких можна розробити єдині методики інженерного розрахунку основних конструктивних елементів і режимів роботи.

Існують три основні засоби введення енергії в поживне середовище:

- ферментери з підводом енергії газовою фазою,

- ферментери з підводом енергії рідкою фазою,

- ферментери з підводом енергії газовою та рідкою фазою.

Ця класифікація придатна для рідкофазних аеробних або анаеробних біотехнологічних процесів. Недоліком цієї класифікації є те що вона не враховує ряд технологічних особливостей процесу:

- рівень асептики;

- вид технологічного процесу – періодичне, напівбезперервне або безперервне культивування;

- рівень сегрегації фаз – використання імобілізованих клітин, біоплівок, флокул та інше.

На рисунку зображені схеми ферментерів, в яких підвід енергії здійснюється ме- ханічно рухомими конструкціями: а) ферментер з циркуляційним контуром сформований дифузором циліндричної форми і турбінною мішалкою відкритого типу; б) реактор з механічним перемішуванням та циркуляцією; в) ферментер з механічним перемішуванням та циркуляційним контуром; г) реактор з автономною механічною аерацією; д) каскадний ферментер з обертовими перемішуючими пристроями; е) ферментер з багатоярусними перемішуючими пристроями та перегородками; є) каскадний ферментер з коаксіальним рухом перемішуючих пристроїв; ж) реактори с радіальною циркуляцією;

Основні фактори впливу, що визначають вибір ферментеру базуються на тому, що на сьогоднішній день відсутня узагальнена система вибору ферментаційного обладнання. Для вибору використовують власний досвід або досвід існуючих виробництв. Базовою особливістю біотехнологічних процесів є їх висока індивідуальність стосовно базового етапу біосинтезу – стадії культивування. Для формування підходів до вибору ферментерів необхідно зазначити, що відправною позицією є визначення технологічних ознак етапу біосинтезу. Ці ознаки були визначені нами під час розробки систем класифікації стадії культивування БА.

Перелік факторів впливу.

1. Консистенція ПС. В цьому випадку визначають тип ПС, яке може бути рідким, ущільненим, сипким. При цьому рідкі ПС можуть мати у своєму складі розчинені або нерозчинені субстрати. Багатофазні системи мають специфічні ознаки, що визначає інтенсивність масообмінних процесів.

2. Технологічне рішення стадії біосинтезу – періодичний процес, напівперіодичний або безперервний.

3. Рівень асептичності (асептичні, умовно асептичні, неасептичні). В цьому випадку приймається до уваги те що процес отримання посівного матеріалу характеризується значно більшою вимогливістю до забезпечення асептичності.

4. Рівень аеробності який враховує потреби у розчиненому кисні та інтенсивність його доставки до БА. Складовою цього процесу є розділення ефектів перемішування та аерації. Прикладом ефекту перемішування є рівень введеної енергії, а ефект аерації оцінюється по інтенсивності масопередачі.

5. Рівень припустимого турбогіпобіозу. Причиною “гіпобіозу” є турбулізація середовища тому пропонується термін турбогіпобіоз (Биотехнол бактер синтеза с. 230). Таким чином для кожної системи культивування існує такий рівень турбогіпобіозу при якому спостерігається зниження інтенсивності ростових процесів та інтенсивності утворення метаболітів і цей процес супроводжується ушкодженням клітин та іншими гіпоефектами, які визвані турбулентністю середовища, а саме зрізовими зусиллями які виникають в результаті взаємодії культурального середовища з конструктивними елементами ферментеру та в результаті взаємодії (контакту) фаз.

6. Продуктивність процесу по цільовому продукту і в цьому випадку враховується вид цільового продукту – біомаса, метаболіт або їх композиція. Продуктивність процесу дозволяє визначити потрібний об’єм, тривалість циклу роботи. Умовно пропонується використовувати лабораторні місткістю 0,5—100 л, пілотні місткістю 100л—10 м3, промислові (для ведення робіт основного технологічного процесу) місткістю 10 — 100 м3 и більше.

7. Інтенсивність термодинамічних процесів. Інтенсивність тепловиділення обумовлює конструкцію систем тепловідведення. Остаточний вибір типу ферментеру здійснюється після проведення модельних досліджень на пілотних лабораторних установках. Обов’язковим елементов попередніх досліджень є визначення критеріїв масштабування в ними, як правило вибирають: · інтенсивність масопередачі кисню (об’ємний коефіцієнт масопередачі); · швидкість потоків (масштабування за гідродинамічними показниками); питомі витрати енергії для досягнення ідентичних показників по виходу цільового продукту, досягнення необхідного об’ємний коефіцієнт масопередачі та інш.

8. Характер потоків. В залежності від структури потоків виділяють ферментери з режимом ідеального змішування (наприклад лабораторні апарати з швидкістю обертання мішалки не менше 300 об/хв. і часом вирівнювання концентрації – час гомогенізації 2 – 8 хв). Режим ідеального витиснення (тубулярний - поршневий).

38.Апаратурна схема ферментера з комунікаціями.

39. Принципи вибору методів виділення та отримання товарного продукту: отримання зневодненої форми , стадії.

Залежно від товарної форми, яку необхідно отримати, а також від властивостей цільового продукту і культуральної рідини (або твердофазної культури), що переробляється, використовують ті або інші способи концентрації і виділення продуктів мікробіологічного синтезу. Простий спосіб переробки культуральної рідини — обезводнення шляхом випаровування або висушування без виділення цільового продукту в чистому вигляді. Отримуваний концентрат, крім основного продукту, містить біомасу культури – продуцента БАР, залишки поживних речовин і піногасник, інші метаболіти. Такі концентрати застосовують в основному для приготування рідких або сухих кормових препаратів амінокислот, вітамінів і ін. Аналогічним чином отримують неочищені ферментні препарати з твердофазних культур.

Для зневоднення мікробної біомаси і отримання технічних або очищених продуктів біосинтезу використовують різні способи: флотацію, сепарацію, фільтрацію, екстракцію іонний обмін, адсорбцію, кристалізацію, мембранні способи і ін. Як правило, технологія виділення і очищення товарного продукту включає декілька стадій виділення і очищення.

Продукти мікробного синтезу виділяють безпосередньо з культуральної рідини без попереднього відділення біомаси, з водної фази (нативного розчину) після відділення біомаси або з біомаси після розділення фаз. Перший спосіб використовують в тих випадках, коли розділення фаз з яких-небудь причин представляє великі труднощі; у промисловості він застосовується достатньо рідко. Технологічно вигідніше виділяти продукт з нативного розчину. Це можливо, якщо цільовий продукт після закінчення біосинтезу знаходиться у водній фазі або може бути переведений в неї зміною значення рН. У тих випадках, коли цільовий продукт практично не розчиняється у воді, його виділяють з твердої фази— біомаси.

На останній стадії виробництва цільовий продукт виділяють у вигляді твердої фази за допомогою кристалізації (осадження) з подальшою сушкою або випаровуванням розчинника з відповідного розчину. Отриманий твердий продукт після подрібнення і фасування направляють споживачам або використовують для приготування лікарських форм препаратів.

Кількість і зміст технологічних етапів, що проводяться на двох останніх стадіях виробництва, визначаються, з одного боку, складом культуральної рідини, що переробляється, з іншого боку — вимогами, що пред’являються до чистоти готового продукту.

40.Флотація: принцип дії, конструкції апаратів.

Принцип дії полягає в тому, що отриману на стадії біосинтезу культуральну рідину спінюють, і при цьому велика частина дріжджів концентрується в пінній фракції. Відокремлюючи піну від основної маси рідини, отримують напівпродукт із змістом біомаси в 2-4 рази вище, ніж в початковій культуральній рідині.

Процес здійснюють у флотаторах. Вони є циліндровою місткістю, в якій встановлений стакан меншого діаметру. Кільцевий простір між стінками корпусу і стакана розділений вертикальними перегородками на декілька секцій; перегородка між першою і останньою секціями суцільна (доходить до дна), а інші до дна не доходять. У нижній частині секцій, встановлені барботери, а у верхній частині центрального стакана – механічний дисковий піногасник. Дріжджова суспензія подається в першу, найбільшу секцію флотатора і послідовно проходить через всі секції, перетікаючи під вертикальними перегородками. Через барботери подається повітря, і відбуваються інтенсивне піноутворення і флотація дріжджів. Піна, що утворюється, переливається через верхній край внутрішнього циліндра і потрапляє в зону дії пристрою для механічного піногасіння (у необхідних випадках на його диск додатково подають воду або хімічний піногасник. Зібрана у внутрішньому стакані суспензія дріжджів, що згущує, відводиться через штуцер і поступає на сепараторів для подальшої концентрації. Звільнену від дріжджів рідину після попереднього очищення скидають в каналізацію. Втрати дріжджів на стадії флотації складають зазвичай 5-7%.

44.Сушіння: види, параметри, конструкції.

Сушіння – видалення рідини (вологи) з твердих, рідких і газоподібних матеріалів (продуктів, препаратів). Найчастіше рідиною, що видаляється є волога або леткі органічні розчинники.

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 уста- новки. 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 (концентрованний розчин, паста, суспензія), його вологості, термостабільності і т.д.

При контактній сушці матеріал нагрівається в результаті безпосереднього зіткнення з гарячими поверхнями (плитами, вальцями і т. п.). На цьому принципі засновані шафові і вальцові сушарки. Проте вони малопридатні для сушки термолабільних препаратів і мають ряд недоліків.

В процесі конвективної сушки теплота підводиться до висушуваного матеріалу за допомогою газоподібного сушильного агента-теплоносія, який служить і для відведення вологи, що випаровується. Цей метод найширше застосовується в біотехнології і лежить в основі роботи розпилюючих, пневматичних, аерофонтанних сушарок і сушарок з киплячим шаром.

При радіаційній сушці теплота передається від нагрітого джерела до висушуваного матеріалу за допомогою інфрачервоного випромінювання. Цей метод застосовується при сушці сублімації деяких мікробних препаратів..

Сушильним агентом при конвективній сушці можуть бути повітря, топкові гази, а в окремих випадках – інертний газ. Інтенсивність сушки визначається швидкістю теплообміну між сушильним агентом і висушуваним матеріалом, яка залежить від коефіцієнта теплообміну, різниці температур (рушійної сили процесу теплопередачі) і поверхні контакту.

45.Виділення цільового продукту: перелік стадій , їх характеристика.

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.

На останній стадії виробництва цільовий продукт виділяють у вигляді твердої фази за допомогою кристалізації (осадження) з подальшою сушкою або випаровуванням розчинника з відповідного розчину. Отриманий твердий продукт після подрібнення і фасування направляють споживачам або використовують для приготування лікарських форм препаратів.

Кількість і зміст технологічних етапів, що проводяться на двох останніх стадіях виробництва, визначаються, з одного боку, складом культуральної рідини, що переробляється, з іншого боку — вимогами, що пред’являються до чистоти готового продукту. Найбільші труднощі виникають в тих випадках, коли мікроорганізми продукують разом з цільовим продуктом комплекс близьких до нього по хімічній природі речовин.

Кількість і зміст технологічних етапів, що проводяться для виділення цільового продукту визначаються, з одного боку, складом культуральної рідини, що переробляється, з іншого боку — вимогами, що пред’являються до чистоти готового продукту. В загальному всі можливі процеси, які застосовуються для виділення: