Раздел 5. Инженерные основы биотехнологии

Тема 5.1. Понятие о биотехнологическом процессе и биотехнологической стадии

Биотехнологическим процессом называют синтез какого – либо вещества (биотехнологического продукта) при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов – биологических катализаторов. Основными особенностями и отличиями биотехнологического процесса являются: участие микроорганизмов, сложный состав реакционной среды, сложный механизм реакции и длительность ее протекания, чувствительность к внешним условиям (стерильности, давлению, температуре и т. п.).

Биотехнологические продукты получают по индивидуальным технологиям со своими агентами, сырьем, количеством стадий, технологическими режимами. Тем не менее, можно выделить схему, типовую для данных производств. Общий вид ее приведен на рис. 5.1.

Основной в этой схеме является биотехнологическая стадия, главной задачей которой является получение определенного органического вещества. Она включает в себя ряд следующих биологических процессов, с помощью которых сырье превращается в тот или иной конечный продукт (см. рис. 3).

Ферментация – особый класс химических превращений вещества, состоящий из серии взаимосвязанных реакций синтеза и разложения, протекающих в органических веществах под воздействием ферментов. Ферменты, таким образом, представляют собой универсальные биологические катализаторы, имеющие сложный состав.

Биотрансформация – процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментов или ферментативной активности клеток микроорганизмов.

Биокатализ – химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов – ферментов.

Биоокисление – потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных условиях.

Метановое брожение – переработка органических отходов с помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование – снижение содержания вредных органических веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, которым придана специальная взрыхлённая структура для обеспечения доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция – сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание - процесс перевода нерастворимых в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация - деструкция вредных соединений под воздействием микроорганизмов-биодеструкторов.

Подготовительные стадии служат для приготовления и подготовки необходимых видов сырья биотехнологической стадии. Здесь используют следующие процессы: приготовление среды, ее стерилизацию, подготовку посевного материала и биокатализатора, предварительную обработку сырья.

Разделение жидкости и биомассы в зависимости от их свойств осуществляют различными способами, отличающимися движущей силой процесса:

отстаивание – разделение под действием сил гравитации (при очистке сточных вод);

фильтрация – пропускание суспензии через фильтрующий материал под действием разности давлений с целью задержки биомассы на поверхности материала. С помощью микро- или ультрафильтрации получают раствор, свободный от взвешенных клеток биомассы;

сепарация или центрифугирование - разделение под действием центробежных сил. Таким способом отделяют, например, дрожжи при получении кормовой биомассы;

флотация – выделение биомассы из ее пенной фракции;

коагуляция – отделение твёрдых веществ от жидкости путем их осаждения в виде крупных агломератов и последующего их отстаивания.

Выделение продуктов биосинтеза, очистка и концентрирование продукта являются вспомогательными процессами для получения продукта в готовой форме. Некоторые отличия имеются только на стадии выделения продуктов биосинтеза для внутри- и внеклеточных продуктов. Так, для внутриклеточных продуктов необходимо разрушить клеточную оболочку одним из методов: дезинтеграцией клеток, гидролизом, ферментолизом, автолизом и т. д.

Дезинтеграцию клеток можно осуществить физическими (ультразвук, замораживание, декомпрессия и т. п.), химическими и биотехнологическими методами. Сущность гидролиза, ферментолиза, автолиза заключается в разрушении клетки под действием химических реагентов, чужих или собственных ферментов клетки при повышенных температурах. Общими для выделения внутри- и внеклеточных продуктов являются экстракция, осаждение, адсорбция, ионный обмен, отгонка, ректификация, ультра – и нанофильтрация, обратный осмос, центрифугирование, ультрацентрифугирование.

Очистка продукта осуществляется с использованием разнообразных процессов, в числе которых экстракция, хроматография, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос. На стадии концентрирования применяют выпаривание, сушку, осаждение, кристаллизацию, ультра-, гипер- или нанофильтрацию, обеспечивающие «отжим» растворителя из раствора.

газ

Подготови- тельные стадии

Биотехноло гические стадии

Разделение жидкости и биомассы

Выделение внеклеточных продуктов

Выделение внутриклеточных продуктов

Приготовление среды

Ферментация

Отстаивание

Экстракция и экстрагирование

Стерилизация среды

Биотрансформация

Фильтрация

Осаждение

Подготовка и стерилизация газов (воздуха)

Биокатализ (реакции с ферментами

Сепарация

Центрифугиро вание

Подготовка посевного материала

Биоокисление

Центрифугирование

Адсорбция

Приготовление биокатализатора

Метановое брожение

Микрофильтрация

Ионный обмен

Предварительная обработка сырья

Биокомпостирование

Ультрафильтрация

Отгонка, ректификация

Биосорбция

Коагуляция

Дезинтеграция

Бактериальное выщелачивание

Флотация

Гидролиз

Биодеградация

Ферментолиз

Ультрафильтрация

Очистка продукта

Концентрирование продукта

Изготовление готовой формы продукта

Экстракция

Выпаривание

Гранулирование

Осаждение

Сушка

Дражирование

Адсорбция

Осаждение

Таблетирование

Ионный обмен

Кристаллизация

Розлив

Хроматография

Фильтрация

Фасовка

Диализ

Ультрафильтрация

Ампулирование

Ультрафильтрация

Нанофильтрация

Обратный осмос

Ферментолиз

Кристаллизация

Ректификация

Рис. 5.1..

Типовая схема биотехнологических производств