Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М. АУЕЗОВА

Приходько Н. А., Есимова А. М., Надирова Ж.К.

ОСНОВЫ БИОИНЖЕНЕРИИ

«Нур-Принт»

Алматы, 2014

УДК 631. 147(075.8) ББК 30. 16я 73 Е30

Рецензенты:

Кансеитов Т- главный научный сотрудник ЗКОП РГП «ЮЗНПЦСХ»

доктор сельскохозяйственных наук.

Тасыбаева Ш.Б - доцент кафедры «Биотехнология», к. х. н.

Е30 Приходько Н. А., Есимова А.М., Надирова Ж.К.

Основы биоинженерии: Учебно

145 с.

ISBN 9965-894-20-5

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 4 курса дневной и заочной формы обучения по специальности 050701 «Биотехнология» и включает 15 лекций, содержание которых охватывает программу курса в соответствии с Государственным общеобязательным стандартом образования Республики Казахстан. Учебно-методическое пособие составлено на основании Государственных общеобязательных стандартов образования РК (Астана, 2001, 2004 (ГОСО РК 3.07.078 – 2001 и ГОСО РК 3.08. –

076 – 2004)

-методическое пособие / – Нур-Принт, Алматы.: 2014 -

УДК 631. 147(075.8)

ББК 30. 16я 73

Учебно-методическое пособие рекомендовано к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М. Ауезова Министерство образования и науки республики Казахстан.

ISBN 9965-894-20-5 © Приходько Н. А., Есимова А.М.,

Надирова Ж.К., 2009

государственный университет им. М. Ауезова, 2009

Содержание

Предисловие

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Модуль 1 Основные теоретические положения Лекция 1. Введение. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалав-

ров биотехнологии. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Масштабирование и оптимизация. Химические основы жизни и иерархия клеточной структуры Лекция 2. Ми

кробные клетки – основные объекты биотехнологии. Поступле-

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ние веществ в клетку и их метаболизм. Эффект Пастера. Конечные продукты метаболизма. Регуляция метаболизма. Кинетика катализируемых ферментами реакций. Фермент-субстратные комплексы и механизм действия ферментов

-----

Лекция 3. Задачи проектирования. Организация проектирования. Понятие о технико-экономическом обосновании проектирования и строительства. Состав технического проекта

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Лекция 4. Проектирование как наука. Проектирование с применением САПР. Состав САПР и ее возможности. Основные понятия технологического проектирования. Классификация технологических схем. Технологический режим и его выбор. Экономическая оптимизация

Модуль 2. Современные мет

оды расчета технологических схем

---------------------------------------------------------------

Лекция 5. Принципы анализа и расчета биотехнологических производств. Системный подход к анализу производств. Критерии оценки эффективности Лекция 6. Со нологические операторы. Операторные схемы и модели

временные методы расчета технологических схем. Типовые тех-

---------------------------------------------

---

Лекции 7,8. Цикломатические потоковые графы и матрицы. Расчет покомпонентных потоковых графов

------------------------------------------------------------------------------------------------------

Модуль3. Расчет технологических показателей Лекции 9,10. Расчет количества основного и вспомогательного оборудования.

Сводные ведомости оборудования. Расчет состава и приемов подачи питательных сред

Лекция 11

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

. Расчет технологических показателей процесса культивирования. Материальный баланс. Общий вид баланса по исходному сырью и конечным продуктам

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Лекция 12. Тепловой расчет процесса культивирования. Энергетические затраты. Тепловой баланс ферментера

-------------------------------------------------------------------------------------

Лекции 13,14. Расчет процессов концентрирования культуральной жидкости. Сушка готового продукта

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Лекция 15. Исходные данные для компоновки оборудования. План на отмет-

ке -

0,000. Варианты объемно-планировочного решения. Основные и вспомо-

гательные производственные помещения. Размещение технологического оборудования и принципы его группировки. Заключение Список использованной литературы

------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------

103

123 138

Предисловие

Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических ная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.

Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10 генность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды.

Вне зависимости от области своей деятельности (наука, проектирование, производство) бакалавр-биотехнолог обязан хорошо знать закономерности и кинетику основных процессов, методы их расчета, главные принципы аппаратурного оформления. Он должен уметь решать проблемы масштабирования и оптимизации. Моделирование является одним из наиболее значимых направлений при разработке биотехнологических процессов, так как с помощью моделирования, экспериментального и математического, исследуются и разрабатываются новые процессы, совершенствуются аппараты и технологические схемы производств. При экспериментальном моделировании в лабораторных и промышленных условиях применяются, как правило, модели объектов и процессов, отличающиеся масшта бами. Экспериментальное моделирование позволяет исследовать и оптимизировать процессы, сущность которых мало изучена. Данный подход часто служит единственным средством для исследования биотехнологического процесса. Пер-

кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связан-

-4

до 10-8. Гетеро-

вым этапом экспериментального моделирования служит лабораторный уровень, в ходе которого при сравнительно небольших затратах проводится изучение новых продуцентов и разработка новых процессов. Далее полученные результаты переносят в опытные, полупромышленные и промышленные масштабы. На опытных установках отрабатываются все технологические детали будущего процесса, обучается персонал, создается оборудование, уточняются технико-экономические по казатели. Затем проводятся крупномасштабные дорогостоящие промышленные эксперименты и испытания. Поэтому масштабирование в биологии требует специальных решений, при этом до настоящего времени нет единого подхода к решению данной задачи. Для оптимизации и управления биотехнологическими процессами, помимо экспериментального, необходимо также привлечение математического моделирования. Эти два подхода, дополняя друг эффективно решать поставленные задачи. Экспериментальное моделирование часто предшествует математическому, являясь для него источником информации. Математические модели – удобное средство обобщения экспериментальных данных. Наличие математических моделей позволяет более обоснованно подходить к планированию экспериментов и обрабатывать данные, существенно сокращать объем экспериментальных работ. Для моделирования и расчета биотехнологических процессов в ская модель сложной биосистемы должна включать описание различных по своей природе объектов и явлений. Поэтому, анализируя биологическую систему в целом, применяют метод декомпозиции, расчленяя исходную систему на ряд подсистем: строятся модели массообмена, кинетики роста биообъекта и биохимических процессов. К настоящему кинетики потребления субстрата и образования различных продуктов.

Для реализации поставленных задач необходимо создание современной биотехнологической промышленности в Казахстане. Поэтому, на основании мировых и отечественных тенденций, перспектив развития биотехнологической отрасли, мировых требований и стандартов к технологическому уровню биотехнологического производства бакалавр – биотехнолог обязан знать методы проектирования технологических процессов, что обеспечивает получение эффективных решений при строительстве или реконструкции предприятий отрасли, позволяющих организовать рентабельное промышленное производство.

силу их сложности применяют системный подход. Математиче-

времени разработано много моделей массообмена,

друга, позволяют более

Модуль 1. Основные теоретические положения

Лекция 1.

Введение. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалавров

биотехнологии. Контроль и управление биотехнологическими

процессами. Масштабирование и оптимизация.

План лекции

1. Преимущества биотехнологических методов

2. Классификация отраслей промышленности, использующих биотехнологиче-

ские методы

3. Особенности биологических процессов

4. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Основные поло-

жения теории масштабирования и оптимизации

5. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалавров биотехнологии

1. Перед биотехнологической промышленностью стоят большие задачи по развитию производства антибиотиков, витаминов, ферментов культур клеток и тканей, что требует повышения эффективности производства, улучшения качества продукции, расширения номенклатуры, освоения новых производств, которых не было в Казахстане, и т.д. на основе использования достижений научно-технического прогресса в этой отрасли в Казахстане и за рубежом. При организации биотехнологических производств частично был опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена

окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10

-8

. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раз-

дела фаз и неоднородностью условий среды.

В настоящее время описаны тысячи индивидуальных биотехнологических реакций, осуществляемых микроорганизмами. Биосинтез характеризуется высокой интенсивностью (τ удвоения биомассы 0,3-2 часа), своеобразием обмена у различных микроорганизмов, специфической направленностью действия ферментов, тем, что реакции протекают при обычных температурах

и давлениях, при использова-

нии недефицитного сырья. В результате технико-экономическая эффективность

, белковых препаратов,

заимствован

-4

до

биотехнологических производств выше, чем при использовании методов химической технологии, а иногда биотехнологический способ – единственный метод получения ценных продуктов.

2. Отрасли промышленности, использующие биотехнологические процессы,

можно разделить на две группы:

-пищевые производства, бродильные производства, занятые переработкой сельскохозяйственного сырья. Применение здесь микроорганизмов ограничено какой-либо одной стадией технологического процесса. Специфическое

технологическое оборудование для микроорганизмов в этих отраслях имеет небольшой удельный вес. Производства данной группы существуют отдельно в составе пищевой промышленности.

-производства, где основная стадия – это культивирование микроорганизмов. По технологическому признаку их можно подразделить на две подгруппы:

-многотоннажные производства, связанные с получением больших количеств

биомассы микроорганизмов. Характерная черта этих

производств, которая определяет тип основного технологического оборудования - глубинное культивирование в условиях, не требующих высокой степени асептики, так как вероятность проникновения посторонней микрофлоры очень мала. Всё объясняется тем, что

оптимальные условия для диких микроорганизмов – t = 25-35

С, рН = 6,5-7,5, а

процесс культивирования в большинстве производств этой группы идет при рН =

3-5 или иногда при t = 40-50

С и в таких средах, где затруднен рост многих микроорганизмов. В некоторых случаях применяют микроорганизмы, являющиеся анаэробами, которые не требуют аэрации. Ввиду невысоких требований к защите производства от посторонней микрофлоры бродильные чаны и ферментеры имеют простую конструкцию и не надо решать сложных проблем по стерилизации воздуха, жидкостей, оборудования. Кроме

того, обычно проста стадия выделения го-

тового продукта.

-малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза, связанные с получением бактериальных препаратов, физиологически активных веществ, культур клеток и тканей. Здесь так же, в основном, применяют глубинное культивирование, но требования к защите от посторонней микрофлоры очень жестокие, поскольку культивирования продуцентов идет в

условиях, близких к оптимальным для дикой микрофлоры, и последняя может полностью подавить рост полезного продуцента или резко снизить выход нужного метаболита. Выделение готового продукта так же более сложно. Общность технологий различных производств этой группы дает возможность переключать основное оборудование с выпуска одного продукта на другой. Последние подгруппы имеют общие черты:

в обоих случаях необходимо учитывать биологические законы роста, обмена, отмирания микроорганизмов наряду с протеканием массо-, теплообменных, гидродинамических и механических процессов.

3. Обеспечение процесса ферментации, с точки зрения инженерной реализации, сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков (инокулята, воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и

образования целевого продукта. В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на методы выделения и сушки биологических

препаратов.

Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный и непрерывный (или с

подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность методов культивирования, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных

решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положениях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою специфику. Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем: чувствительность биологических

агентов к физико-механическим воздействиям; наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»); требования условий асептики; низкие скорости протекания многих процессов в целом; нестабильность целевых продуктов; пенообразование; сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.

Наиболее существенные особенности биологических процессов: биологиче-

ским системам присуще

свойство саморегулирования, обычно направленное на ускорение роста; клеточные органы обладают общностью химического состава; все процессы протекают и регулируются с участием ферментов - белковых биокатализаторов; на всякое внешнее воздействие регуляторные механизмы клеток отвечают приспособительной реакцией, направленной в сторону, благоприятную для жизнедеятельности, или на снятие воздействия; в биологической системе постоянно меняется

набор ферментов, их активность, характер биохимических процес-

сов, что ведет к необходимости оптимизации на каждом этапе; мембрана обладает

избирательной проницаемостью, и возможен перенос вещества против градиента концентрации, что затрудняет регулирование. Поэтому технологические процессы биотехнологии специфичны, что привело к необходимости создания специального оборудования, специальных приборов, специальных методов, наряду с которыми широко используются типовые методики и оборудование химической технологии.

4. Эффективное проведение биотехнологических процессов тесно связано с

совершенствованием способов контроля и

управления. В период предыстории биотехнологии делались отдельные попытки регулировать развитие продуцента с помощью изменений параметров внешней среды. До середины ХХ века регулирование в основном сводилось к эмпирике, так как без знания сущности происходящего невозможно эффективно контролировать и управлять процессом. В основном, объектом управления того периода была экстенсивная

периодическая культура микроорганизмов со всеми ее недостатками: динамикой состояния продуцента и среды, отсутствием средств контроля. В последние 25 лет с внедрением управляемых культур биотехнологи переходят от простой задачи поддержания определенных параметров среды к управлению процессом в целом. Для реализации управляемого культивирования необходимо построение алгоритмов управления, основанных на моделях

биотехнологического процесса. В современных биотехнологических процессах необходимо регистрировать и анализировать множество быстроизменяющихся факторов (концентрацию субстрата, биомассы и продукта в культуре, рН, температуру, парциальное давление кислорода и др.) Это вызывает необходимость в применении электронной техники. Первые разработки по применению ЭВМ в биотехнологии относятся к концу 60-х гг. ХХ

века. На первых этапах ЭВМ привлекали в качестве советчика оператора, управляющего исполнительными механизмами для поддержания оптимального течения биотехнологического процесса. Прежде всего, для сбора и обработки информации по показаниям датчиков и для представления этой информации в легковоспринимаемой форме. Разрабатывали также системы автоматического регулирования отдельных параметров (дозировка среды или отдельных компонентов

, стабилизация температуры и рН среды, скорости протока) по принципу контроля с обратной связью. Позднее ЭВМ стали использовать для управления технологическим процессом в целом в составе автоматизированных систем АСУ. Задача создания АСУ стала особенно актуальной при реализации крупнотоннажных биотехнологических процессов. В настоящее время АСУ осуществляется на основе системного подхода,

управление имеет многоуровневую иерархическую систему.

Внедрение АСУ позволяет осуществить рациональное управление процессом биосинтеза. В результате этого экономятся исходное сырье, электроэнергия, вода, повышается продуктивность процесса и производительность труда обслуживающего персонала. Затраты на создание и внедрение АСУ в биотехнологии окупаются сравнительно быстро, в течение 3–4 лет.

Обычная схема контроля и управления ферментацией включает ферментер, датчики, регулирующую систему, которая реализует расчетные зависимости на основе измерения параметров процесса. Исходные данные от датчиков поступают на ЭВМ, в которой они оперативно анализируются, и в результате выдаются данные для исполнительных устройств и механизмов. В настоящее время разработка и внедрение АСУ для

биотехнологических процессов, прежде всего, определяется уровнем технической оснащенности данных процессов и зависит от уровня электронного оборудования, средств контроля и автоматизации. Возникают также проблемы вследствие большой информационной емкости биотехнологических процессов. Эффективность АСУ зависит от быстродействия и объема памяти ЭВМ. Поэтому прогресс в области биотехнологии зависит от прогресса в области электроники.

Большое будущее имеет, в частности, микропроцессорная техника. Внедрение АСУ сдерживается отставанием в создании надежной и быстродействующей контрольно-измерительной аппаратуры, выдерживающей стерилизацию и удовлетворяющей современные требования к чувствительности и точности измерения, быстродействию, надежности, миниатюризации.

В настоящее время при проектировании новых производств возникают две за-

дачи: масштабирование – расчет оборудования на основании

данных, полученных в лабораторных условиях или на опытно-промышленных установках; оптимизация – выбор наивыгоднейшего варианта из возможных технологических схем, режимов и видов оборудования.

Основные положения теории масштабирования и оптимизации по отношению

к биологическим системам:

-в биотехнологических производствах одновременно протекают химические и

биологические процессы, в ходе которых происходят сложные биохимические

реакции внутри клетки и при обмене клетки с окружающей средой. Поэтому при масштабировании следует учитывать различные закономерности химических и биологических реакций.

-масштабирование и оптимизация возможны лишь на основе математического моделирования, важнейшими этапами которого являются составление математической модели процесса, ее решение и анализ. Только на основе изучения кинети-

могут быть выбраны оптимальный технологический режим и его аппаратурное

ки оформление. Математическая модель позволяет систематизировать знания, сократить объем исследований, создать оптимальную схему автоматизации процесса. Объем теоретических сведений об объекте моделирования в настоящее время ограничен, поэтому уравнения математического описания – это система эмпирических зависимостей, получаемых в результате систематического обследования объ-

. Задачи оптимизации делятся на два класса: оптимизация при проектирова-

екта нии (более эффективна) и оптимизация при управлении. Наиболее общий критерий оптимальности – минимальная сумма приведенных затрат, умноженных на нормативный отраслевой коэффициент эффективности капитальных вложений.

1 / 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]