50. Принципиальные схемы биотехнологических процессов, определяющие конструктивные особенности биореакторов(ферменторов)

Принципы:

1. Принципы масштабирования – поэтапно увеличивается объем аппарата

2. однородность физико-химических условий (температура, ph)

3. принцип массопередачи. Должны происходить процессы обмена веществом м-у разными фазами (перенос О2)

4. теплообмена. Перераспределение тепловой энергии м-у взаимодействующими фазами.

5. Пенообразование. Связано с наличием поверх. Активных веществ и перемешиванием

6. принцип асептики. Должны быть стирильные условия , т.к. работа с чистыми культурами.

Важнейшим элементом приготовления питательных сред является соблюдение требований асептики. Это либо создание заданного значения рН, обеспечивающего подавление посторонних микроорганизмов, либо полная стерилизация всех подаваемых потоков и самого биореактора.

Для стерилизации газовых потоков (в первую очередь воздуха) используют процесс фильтрации через специальные волокнистые фильтры с последовательно расположенными фильтрующими элементами. Фильтрующий материал периодически стерилизуется подачей острого пара в отключенный фильтр через заданные промежутки времени. Жидкостные потоки стерилизуют различными методами, из которых практический интерес представляют термический, радиационный, фильтрационный и отчасти химический.

7. дифференцированных режимов. Должен быть возможен перевод из 1 режима культивирования в другой. Разные этапы 1 процесса – различные условия.

Классификация биореакторов:

По размерам: Лабораторные (1-10л) Опытно-промышленные (10л-40м3) Промышленные По условиям культивирования: Для поверхностного культивирования Для Глубинного культивирования Для Жидких сред Для Твердых сред

По отношению к О2: Для: аэробов, анаэробов, мезофиллов, термофилов, По способу перемешивания: Механическое Пневматическое циркуляторное По режиму работы: Периодическое культивирование Непрерывное культивирование

51.Основные требования, предъявляемые к системам, используемым для процессов ферментации

Для каждого биотехнологического процесса должна быть разработана подходящая схема, а сам процесс должен постоянно наблюдаться и тщательно контролироваться. Для большинства практических биотехнологических процессов такими системами являются ферменторы или биореакторы, которые обеспечивают необходимые физические условия, способствующие наилучшему взаимодействию катализатора со средой и поставляемым материалом. Биореакторы варьируют от простых сосудов до весьма сложных систем с различным уровнем компьютерного оснащения.

Биореакторы изготавливаются в двух вариантах или типах. Первый тип для нестерильных систем, когда нет абсолютной необходимости оперировать с чистыми культурами микроорганизмов (например, ферментация при пивоварении, производство пекарских дрожжей и т. п.). Биореакторы второго типа предназначены для асептических процессов, обычно используемых в производстве таких соединений, как антибиотики, аминокислоты, полисахариды и одноклеточный бактериальный белок. В реакторах такого типа все посторонние микроорганизмы должны быть исключены, что, естественно, связано со значительными сложностями при их конструировании и разработке самого биотехнологического процесса.

Основное требование к биореакторам любого типа сводится к обеспечению оптимальных условий роста продуцента или накоплению синтезируемого им продукта. Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям организма продуцента, из ростовой среды должны быть удалены соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, должна быть подобрана соответствующая посевная доза и, наконец, обеспечены все остальные требуемые физико-химические условия. Экономически рентабельные процессы в своей основе весьма сходны, независимо от избранного продуцента, используемой среды и образуемого продукта. Главная задача — получение максимального количества клеток с одинаковыми свойствами при их выращивании в определенных тщательно контролируемых условиях. Фактически один и тот же биореактор (лишь с небольшими изменениями) может быть использован для производства ферментов, антибиотиков, органических кислот или одноклеточного белка.

Биореактор должен обладать системами:

• эффективного перемешивания (гомогенизация питательной среды)

• Обеспечение доступа и диффузии газообразных компонентов

• Теплообмена

• Пеногашения

• Стерилизации

• Контроля и регулировки

• Биореактор должен быть сконструирован так, чтобы исключить попадание загрязняющих микроорганизмов, а также обеспечить сохранения требуемой микрофлоры. • Объем культивирумой смеси должен оставаться постоянным, т. е.чтобы не было утечки или испарения содержимого. • Уровень растворенного кислорода должен поддерживаться выше

критических уровней аэрирования культуры аэробных организмов. • Параметры внешней среды, такие, как температура, рН и т. п.,должны постоянно контролироваться. • Культура при выращивании должна быть хорошо перемешиваемая.

К материалам, используемым при конструировании сложных,прецизионно работающих ферменторов, предъявляются определенныетребования (порой весьма строгие): а) все материалы, вступающие в контакт с растворами, подающимися

в биореактор, сприкасающиеся с культурой микроорганизма, должныбыть устойчивыми к коррозии, чтобы предотвратить загрязненияметаллами даже в следовых количествах;

б) материалы должны быть нетоксичным и, чтобы даже при самой малой растворимости они не могли бы ингибировать рост культуры; в) компоненты и материалы биореактора должны выдерживать повторную стерилизацию паром под давлением; г) перемешивающая система биореактора и места поступления и

выхода материалов и продуктов должны быть легко доступными и достаточно прочными, чтобы не деформироваться или ломаться при механических воздействиях; д) необходимо обеспечить визуальное наблюдение за средой и культурой, так что материалы, используемые в процессе, по возможности должны быть прозрачными. Для оптимизации биотехнологических процессов требуется постоянный и тщательный контроль за изменяющейся картиной ферментации, что обеспечивается наличием в биореакторах

соответствующих датчиков, позволяющих осуществлять избирательный анализ определенных параметров ферментационного процесса. Неотъемлемой частью большинства ферментаций является та или иная степень

компьютеризации.