- •1. Введение
- •1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
- •2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.).
- •3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.).
- •4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.).
- •5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
- •Вопросы для самоконтроля
- •2. Живая клетка – основа биологических систем
- •Эндоплазматический ретикулум (эр)
- •Аппарат Гольджи
- •Цитоплазматический матрикс
- •Клеточные органеллы
- •Хлоропласты
- •Клеточная стенка
- •3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии
- •Эукариоты. Водоросли
- •Принципы подбора биотехнологических объектов
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. Основы генетики микроорганизмов
- •Репликация
- •Синтез белка
- •Регуляция генной активности
- •Изменчивость
- •Генетическая рекомбинация
- •Плазмиды
- •Вопросы для самоконтроля
- •5. Метаболизм и принципы его регуляции
- •Анаболизм и катаболизм
- •Углеводы как источник энергии
- •Анаэробное дыхание
- •Брожение
- •Молочнокислое брожение
- •Спиртовое брожение
- •Маслянокислое брожение
- •Аминокислоты как источник энергии
- •Липиды как источники энергии
- •Двууглеродные соединения как источники энергии
- •Рост микроорганизмов на углеводных средах, спиртах, органических кислотах, углеводородах, с1-соединениях
- •Вопросы для самоконтроля
- •6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов
- •Биосинтез углеводов
- •Поглощение света и возбуждение пигментов.
- •Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Синтез пуриновых нуклеотидов:
- •Регуляция метаболизма
- •Первичные метаболиты
- •Производство аминокислот.
- •Производство органических кислот.
- •Производство спиртов.
- •Производство витаминов.
- •Вторичные метаболиты
- •Антибиотики.
- •Вопросы для самоконтроля
- •7. Питание микроорганизмов
- •Механизм поступления веществ в клетку
- •1) Пассивная диффузия.
- •4) Перенос (транслокация) групп.
- •1.Фотолитотрофия.
- •2. Фотоорганотрофия.
- •3. Хемолитотрофия.
- •4. Хемоорганотрофия.
- •Потребности микроорганизмов в дополнительных питательных веществах
- •Минеральные элементы.
- •Ростовые вещества.
- •Вопросы для самоконтроля
- •8. Рост, размножение и культивирование микроорганизмов
- •Рост бактериальной клетки
- •Размножение бактерий
- •Размножение бактериальной популяции
- •Непрерывные культуры
- •Синхронные культуры
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. Подготовка биологических объектов для биотехнологического процесса
- •Гибридизация микроорганизмов
- •1. Получение генов.
- •2. Введение гена в вектор.
- •3. Перенос генов в клетки организма-реципиента.
- •4. Идентификация клеток-реципиентов, которые приобрели желаемый ген (гены).
- •Генетическая инженерия и конструирование новых организмов
- •Улучшение продуцентов, используемых в производстве, методами генетической инженерии
- •Клеточная инженерия
- •Получение гибридных клеток
- •Возможности клеточной инженерии
- •Культуры тканей и клеток высших растений
- •Культуры клеток животных и человека
- •Трансплантация эмбрионов
- •Гибридомная технология
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. Культивирование биологических объектов
- •Принципы действия и конструкции биореакторов
- •Системы перемешивания и аэрации
- •1. Аппараты с механическим перемешиванием.
- •2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.
- •3. Аппараты с циркуляционным перемешиванием.
- •Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования
- •Биотехнологические процессы и аппараты периодического и непрерывного действия
- •Периодические процессы.
- •Специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов Анаэробные процессы.
- •Твердофазные и газофазные процессы.
- •Поверхностные процессы.
- •Вопросы для самоконтроля
- •11. Словарь терминов
- •12.Список использованной литературы
Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования
Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках.
Обычно встречаются следующие объемы аппаратов:
1) для лабораторных – 0,5 – 100 л;
2) для пилотных – 100 л – 5 м3;
3) для промышленных биореакторов – 5 – 1000 м3и более.
На каждом из этапов наращивания масштаба биотехнологического процесса (масштабирования процесса) – решаются свои задачи налаживания производства и его оптимизации.
Лабораторные аппараты по форме и устройству систем перемешивания и аэрации напоминают промышленные (Рис.47). Они подразделяются на те же типы, что и промышленные биореакторы. Однако в лабораторных масштабах обычно используют аппараты с механическим перемешиванием и барботажем. Для успеха масштабирования существенным является не сохранение принципа конструкции, а соответствие важнейших характеристик процесса.
По принципу теплообмена и стерилизации лабораторные аппараты делятся на две категории:
1) аппараты, лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации (их помещают в водяные бани с постоянной температурой, а стерилизацию проводят в автоклаве);
2) аппараты, имеющие собственные системы теплообмена и стерилизации.
Лабораторные биореакторы используют для решения следующих задач:
1) кинетических – измеряют скорость роста клеток, утилизации субстратов и образования целевого продукта;
2) некоторых массообменных – рассчитывают коэффициенты массопередач, скорость поступления в среду кислорода и других газов, скорость освобождения среды от газообразных продуктов жизнедеятельности (СО2);
3) стехиометрических – устанавливают коэффициенты в брутто-уравнениях химических реакций, связывающих потребленные субстраты и кислород с получаемыми целевыми и побочными продуктами.
На этапе пилотных биореакторов в общих чертах возможно дублировать конструкционные детали промышленного аппарата и исследовать макрокинетику процесса – динамику потоков жидкости, газа, теплоты. На этом этапе выбирают тип аппарата, который далее применяют в промышленном масштабе. Для облегчения конструирования пилотных биореакторов и апробирования их различных вариантов, создают специальные наборы стандартных унифицированных деталей, которые можно соединять и компоновать в различных сочетаниях (рис. 48).
На этапе промышленного реактора производят синтез кинетических и стехиометрических характеристик, полученных на лабораторном аппарате, с гидродинамическими, массо- и теплообменными закономерностями процесса, выявленными на пилотном биореакторе. Однако при масштабировании параметры процесса не могут сохраниться в неизменном виде. Установлено, что при одной и той же среде культивирования и конструкции аппарата, при совпадающих температурах, рН и скорости перемешивания уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться.
Например, в лабораторных биореакторах процесс может протекать вообще без перемешивания. По мере увеличения объема биореактора даже при интенсивном перемешивании в аппарате появляются зоны неоднородности, недостаточной аэрации, массообменные характеристики различаются по зонам реактора. Этот пример показывает, что для сохранения параметров процесса при изменении объема аппарата нередко требуется менять его конструкцию, жертвовать второстепенными характеристиками ради сохранения главных.
Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы различаются по условиям теплообмена. В лабораторных аппаратах одним из основных «генераторов теплоты» служит механическая мешалка, вклад метаболических процессов в разогрев среды незначителен. Для эффективного теплообмена в этом случае достаточно теплообменной рубашки по всей высоте реактора. В пилотном биореакторе, а еще в большей степени в промышленном реакторе соотношение между поверхностью и объемом аппарата снижается, поэтому внешней теплообменной рубашки недостаточно для эффективного отвода теплоты, поэтому вводят внутренние теплообменные элементы.
Из этого следует, что при переходе от лабораторного биореактора к пилотному и далее к промышленному необходимо наряду с объемом менять конструкцию и режим работы аппарата.
Таким образом, центральной проблемой при масштабировании является выбор надежных критериев масштабирования с целью высокоэффективного и экономичного биосинтеза целевого продукта в промышленных условиях.