Стадии биотехнологического производства
Конечные стадии получения целевого продукта.
Существует 5 стадий биотехнологического производства.
Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически действующего начала. В процессах инженерной энзимологии они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойствами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии ферментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизованного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма-продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.
Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.
На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ. При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции.
Заключительная стадия биотехнологического производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет технологов принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии. Кроме того, препараты для медицинских целей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупорки, так должны быть стерильными. Далее приводится характеристики каждой из стадий промышленного микробиологического синтеза.
Разделение культуральной жидкости и биомассы- сепарация. Это 1-ый этап очистки целевого продукта. Иногда сепарации предшествуют спец. Обработка культуры- изменение рН, нагревание, добавление коагулянтов белков.
1. Флотация. Если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости, то жидкость предварительно вспенивают, затем отделяют ее верхний слой с клетками. Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками. Флотацию широко используют как первый этап отделения дрожжевой массы для осветления культуральной жидкости.
2. Фильтрация - задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Применяют фильтры однократного или многократно использования: барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные, вакуум-фильтры, фильтр-прессы различных конструкций, мембранные фильтры. Диаметр пор может превышать размеры клеток. Иногда биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом или срезают специальным ножом.
3. Центрифугирование - осаждение взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование. Поэтому оно оправдывает себя, если: а) суспензия фильтруется медленно; б) поставлена задача максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся частиц; в) необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие.
Центрифугирование и фильтрация иногда реализуются в комбинации, в фильтрационных центрифугах. Перспективны для осаждения биомассы центрифуги-сеператоры, в которых биомасса оседает на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.
Выделение целевых продуктов
Осаждение раствор. веществ осуществляется физическими (нагревание, разведение или концентрирование, охлаждение раствора) или хим.воздействиями, переводящими растворенное вещество в малорастворимое состояние.
Экстракция извлечение продукта из твердого (твердо- жидкофазная) или жидкого (жидко-жидкофазная) образца. К твердо-жидкофазной экстракции относится обливание образца водой с целью извлечения из него растворимых веществ, например солей металлов из руд, подвергнутых бактериальной обработке, или растворимых продуктов из массы субстрата (соломы и т.д.) при твердофазном культивировании. Применяют органические растворители, например, при экстракции клеточной массы ацетоном, переводящим в раствор ряд липидных и белковых компонентов.
Жидко-жидкофазная экстракция - добавление органических растворителей для извлечения из культуральной жидкости антибиотиков, витаминов, каратиноидов, липидов, некоторых гидрофобных белков. Витамин В12 экстрагируют фенолом и его производными (крезол, другие алкилфенолы, галогениды). Используют бензиловый спирт, особенно в щелочных условиях. Фосфолипиды извлекают путем экстракции хлороформом.
Полностью избежать нагревания, губительного для многих ценных веществ, позволяют методы холодовой экстракции (криоэкстракции). Она как бы нивелирует различие между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии. Криоэкстракция осуществляется растворителями, кипящими при низких температурах и находящимися при комнатной температуре в газообразном состоянии. Криоэкстракция может использоваться в комбинации с криоконсервацией клеток. Урожай клеток длительное время хранится без потери свойств в условиях глубокого замораживания. Адсорбция - частный случай экстракции, при котором экстрагирующим веществом из жидкой или газовой фазы является твердое тело. Хорошими адсорбентами являются древесный уголь, глины с развитой пористой поверхностью. Путем адсорбции из культуральной жидкости выделяют антибиотики и витамины.
Ионообменная хромотография, колонка наполняется гранулами адсорбента, которые несут заряж-е катионные (NH4) или анионные (SO4) группы, способные захватывать ионы против-го заряда. Данный метод используется для выделения ионизированных веществ из жидкости, а также для очистки нейтральных соединений от примесей ионной природы.
Стадии концентрирования, обезвоживания, модификации и стабилизации целевых продуктов биотехнологических процессов.
Концентрирование продукта. За отделением продукта следует этап его концентрирования с помимо основных методов – обратного осмоса, ультрафильтрации и выпаривания. Обратныйосмос - концентрируемый раствор помещается в мешок из полупроницаемой мембранны, снаружи создается осм-ое давление, превышающее осм-ое давление раствора, в результате чего раст-ль начинает вытекать через мем-ну против градиента конц-и растворённого вещества, обус-вая дальнейшее конц-е раствора.
Ультрафильтрация - способ разделения вещества с помимо мембранных фильтров. Не требуется измерение рН, ионной силы раствора или перевода продукта в др.фазу.
Метод выпаривания - недостаток: для удаления раств-ля концентрируемый раствор следует нагревать. В производственных условиях чаще применяются вакуумные испарители, обеспечивающие более щадящий режим концентрирования. Нагревающим агентом служит водяной пар, хотя используется также обогрев жидким теплоносителем или элект-ми нагревателями. Конц-ние методом выпаривания может ограничиваться стадией получения сиропообразного раствора целевого продукта; такая процедура называется упариванием и получаемый продукт относится категории жидких. Дальнейшее освобождение от влаги, остающейся в прод-х после обратного осмоса, ультраф-ции или выпаривания, достигается путем сушки.
Обезвоживание продукта (сушка) - перспективным методом является обезвоживание в газообразных нагревающих агентах (пар, воздух, углекислый газ, дымовые газы и т. д.), которые с высокой скоростью подаются в сушильный аппарат снизу, а частицы обезвоживаемого продукта парят в этом газовом потоке. Преимущество: возможность регулировать интенсивность массо-тепло-обмена, а также возможность организации непрерывного процесса. Недостаток метода: прилипание продукта к стенкам сушильной камеры.
Модификация продуктов - необходима в тех случаях, когда в результате процесса получается лишь "заготовка" целевого продукта. Так, например, пенициллин модиф-ся до полусин-х препаратов, поступающих для практического использования каккоммерческие препараты.
Стабилизация продукта - определенная степень обезвоживания существенно повышает стабильность активностей ферментов, включая и устойчивость к нагреваниям. Стабилизация ферментов также достигается добавлением к препаратам глицерина или углеводов, которые формируют многочисленные водородные связи с аминокислотными остатками, препятствуя тем самым ихденатурированию при нагревании или спонтанной инактивации.
Рекомендуем ознакомится: http://biofile.ru