21. Принципы технического обеспечения биотехнологических процессов. Различные типы биореакторов: аэробные и анаэробные. Тепловые процессы в ферментаторах. Особенности культивирования биообъектов.

Биотехнологические методы культивирования биообъектов выполняются в специальных оборудованиях-ферментаторах (биореакторах).

Биотехнологические процессы отличаются от химических процессов: во-первых, главными компонентами являются какой-либо биообъект (вирус, бактерии, грибы). Такие объекты отсутствуют в хим. технологии. Высокие температуры неприемлемы в биотехнологии, давление. Особенности биообъектов обуславливают принципы технического оснащения биопроизводств.:

- универсальность биореакторов, основан на использовании разных биобъектов;

- инертность материаллов, в процессе культивирования не будет происходить взаимодействие биобъектов с с металлическими конструкциями;

- эксплутационная надежность, оптимальные условия для протекания процесса;

- доступность, легкость обслуживания и т.д.

Для выращивания микроорганизмов были предложены типы биореакторов: конструкции у них в основном были сходны. Их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов).

Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них. При конструировании биореакторов учитывается время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.

Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте и составляет 1:2 до 1:6. Универсальными являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания:

• газовой фазой (ФГ)

• жидкой фазой (ФЖ)

• газовой и жидкой фазами (ФЖГ)

Примером аппарата группы газовой фазой может быть ферментатор с эрлифтом

В аппарате отсутствует механическое перемешивание, здесь проще поддерживать асептические условия. Воздух для аэрации подается по трубе который расположен вертикально в ферментаторе. Аэратор, который обеспечивает движение выходящего воздуха, расположен в нижней части диффузора и насыщает питательную среду воздухом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору и перемешивается через верхние края. Часть воздуха уходит из аппарата, а более плотная среда опускается вниз в кольцевом пространстве между корпусами ферментатора и диффузором.Так происходит многократная циркуляция среды в ферментаторе. Для отвода биологического тепла внутри ферментатора установлен змеевик, аппарат также снабжен секционной рубашкой. В производстве кормового белка широкое распространение получили ферментаторы с самовосстанавливающими мешалками из группы ФЖ -жидкой фазой. Ферментатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообменными и аэрирующими устройствами. Теплообменные устройства выполняют в виде трубок, которые установлены в трубных решетках.

Ферментаторы периодического действия из групп (ФЖГ) - газовой и жидкой фазы применяются для получения антибиотиков, витаминов. Конструкция этого ферментатора обеспечивает стерильность ферментации длительное время. Важным элементом в ферментаторах являются теплообменные устройства. Применение концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание - все это сказывается на возрастании тепловыделений и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы имеют секционные рубашки снаружи, а внутри аппарата - четыре змеевика.

Общая продуктивность процесса в биореакторе определяется количеством целевого продукта в ЕД активности или в кг, получаемого с 1м³ ферментационной емкости в час. Расчет ведут отдельно - для периодического и непрерывного процесса. Общую продуктивность для непрерывных процессов определяют в установившемся режиме, а для периодических процессов и полунепрерывных - с учетом времени на подготовку ферментатора к работе.

Объемная продуктивность процесса - это количество целевого продукта в ЕД активности или в кг, получаемое с 1м³ питательной среды в час.

Выход продукта от субстрата - это количество целевого продукта в ЕД активности или в кг, полученное из 1 кг компонента ферментационной среды, являющегося энергоносителем.

22. Химическая природа ферментов. Микробные ферменты, имеющие промышленное значение. Общие принципы получения ферментных препаратов. Иммобилизованные ферменты- основа инженерной энзимиологии. Основные способы иммобилизации ферментов.

Ферменты или эензимы – самый высокоспециализированный класс белковых молекул. Ферменты синтезируются самой клеткой и выполняют функции катализаторов биохимических реакций.

Ферментативный катализ происходит на поверхности гигантских белковых молекул ферментов и отличается от химического. Ферментативный катализ протекает в живой клетке в ограниченном диапазоне температур, значений РН и давления. Одна из особенностей ферментов как катализаторов – строгая специфичность их действия. Когда фермент реагирует только с одним веществом – абсолютная специфичность, с группой веществ, обладающих общим структурными признаками – групповая специфичность.

Каталитическая активность ферментов чрезвычайно высока. Так, в живой клетке под воздействием фермента каталазы, которым служит железо, реакция протекает в 1010 раз быстрее, чем с неорганическим катализатором.

Все ферменты подразделяют на две группы:

ферменты-протеины, представляющие собой кристаллические белки (однокомпонентные);

ферменты-протеиды, имеющие в своем составе сложные белки.

Каталитическая активность однокомпонентных ферментов определяется пространственным расположением остатков аминокислотв активных центрах молекулы фермента. Активные центры реагируют только с тем субстратом, пространственная расположенность-конфигурация которого совпадает со структуройактивного центра.

Но большинство ферментов относятся к двукомпонентным. Их молекула состоит из белковой части – апофермента и небелкового компонента –кофактора. Каталитической активностью обладает только кофактор, роль которого выполняют сложные органические комплексы, витамины.

Ферменты , будучи биокатализаторами приобрели важное практическое значение. Первый патент на грибную амилазу был получен еще а 1894 г. К настоящему времени описано выше 3000 ферментов.

В производственных условиях ферменты обычно получают в периодическом режиме культивирования продуцентов. Основная ферментация продолжается от одних до семи суток. Перед завешением ферментации культуральную жидкость быстро охлаждают +5, доводят рН до требуемого показателя, добавлют флокулянт пр последующих центрифугировании и вакуум-упаривании. Далее к упаренному центрифугата добавляют раствор электролита, затем фильтруют на вакуум- барабанном фильтре, фильтрат поступает в рефрижератор, из котрого его подвергают ультрафильтрации, консервируют, пропуская через мембранный фильтр, откуда он поступает на фасовку.

Важнейшм направлением в реализации каталитической функции ферментов является их иммобилизация, что обеспечивает многократное использование фермента в биотехнологических целях. Иммобилизация фермента- это любое ограничение свободы движения белковых молекул. Наипростейшим методом закрепления фермента глюкозоизомерации было взаимодействие фермента с с ионнообменным носителем- Д-целлюлозой.

Ковалентное взаимодествие ферментного белка возможно на алкиламинированном стекле, на керамике и др.

Наипростейшим способом иммобилизации оказалось сохранение фермента внутри клеток продуцента. Так, прогревание стрептомицета, образующего глюкоизомеразу при 60 С сопровождается отмиранием культуры наряду с разрушением автолизинов. Глюкоизомераза остается активной, а стабилизированные таким образом клетки становятся пороницаемыми для малых молекул.

Внутриклеточный фермент может быть ковалентно сшит, и фиксирован с помощью ковалентного связывания с альдегидом.

Продуценты ферментов и сами ферменты могут быть заключены в различне гелевые и волокнистые структуры.

В производственных условиях основной технологический процесс с участием иммобилизованных ферментов проводят, как правило в проточных биореакторах, в которых биокатализатор может быть в виде неподвижного слоя. Крупномасштабное производство приходится в основном на такие ферменты-гидролазы, как протеазы и гликозиды . Основными продуцентами являются бациллы. Различают три категории протеаз- сериновые, кислые и металлопротеазы.

Кислые протеазы используюися при изготовление сыров. Их продуцируют различные виды низших грибов.

Из гликозидаз большое значение прибрели грибные амилазы, катализирующие реакции гидролиза крахмала. Сегодня в мире организовано крупномасштабное производство глюкозо-фруктозных сиропов на основе эксплуатации имообилизованной глюкозоимеразы, обеспечивающей превращение глюкозы во фруктозу.