Аппаратурное оформление биотехнологического процесса

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Основные этапы биотехнологического процесса. Устройство биореактора. Типы биореакторов.

Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

1. Создание стерильных условий для биосинтеза

Биосинтез БАВ – это многостадийный процесс. Для успешного

осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный

воздух, стерильную питательную среду и оборудование.

→ Стерильное оборудование

БИОСИНТЕЗ → Стерильная питательная среда

→ Стерильный воздух

Биосинтез осуществляется с использованием жидкой питательной среды, т.е.

используется глубинное культивирование.

Биосинтез микроорганизмов осуществляется в ферментерах различной

емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).

Стерилизация воздуха осуществляется методом фильтрации, т.е. из

воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.

Стерилизация питательных сред осуществляется термическим способом

прямо в ферментере или в отдельной емкости.

Продуцент может храниться разными способами, например, на скошенном

агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной

средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1%

посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и

деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в

посевной аппарат. Из посевного аппарата

5-10% посевного материала переносится в ферментер.

2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,

биологические)

1. Температура

- бактерии – 28°

-актиномицеты – 26-28°

-грибы -- 24°

2. Число оборотов мешалки (для каждого м/о (микроорганизмы) – разное

число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).

3. Расход подаваемого на аэрацию воздуха.

4. Давление в ферментере

5. рН среды

6. Парциальное давление растворенного в воде кислорода (количество

кислорода)

7. Концентрация углекислого газа при выходе из ферментера

8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)

9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток м/о, т.е.

надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о

10. Наличие посторонней микрофлоры

11. Определение в процессе ферментации биологической активности

Для проведения ферментации необходимо добавлять пеногасители – жиры

(рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате

метаболизма м/о образуется пена.

3. Виды процессов биосинтеза.

Процесс биосинтеза подразделяют на:

• периодический,

• полупериодический,

• непрерывный,

• многоциклический.

1. Периодический процесс –

это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются

определенные технологические параметры (температура, рН, обороты

мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого

продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало

целевого продукта.

2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация.

- отличается от периодического процесса тем, что в процессе ферментации в

ферментер добавляются различные питательные вещества (источники

углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется

предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический

процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.

3. Непрерывный процесс

Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется

определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой

ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость

выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли

часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и

процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно

повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно

перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой

достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том,

что сокращается стадия выращивания посевного материала.

4. Многоциклический процесс

заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости

сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного

материала.__

1. Метаболизм микробной клетки и его влияние на биотехнологию

производства лекарственных средств

1.2.Индукция и репрессия синтеза ферментов

1.3.Схема индукции Жакобо и Моно.

1.4.Аллостерический центр (определение, функционирование)

1.5.Ретроингибирование (схема, меры борьбы)

1.6.Строгий аминокислотный контроль (механизм, значение в

биотехнологическом производстве)

1.7.Катаболитная репрессия

1.8.Регуляция обмена азотсодержащих соединений

2. Перенос вещества через мембраны

2.1.Виды транспорта

2.2.Влияние характера переноса вещества через мембраны с

эффектом продуктивности промышленных штаммов

микроорганизмов при получении лекарственных средств.

Известно, что рост клетки, ее нормальное функционирование и даже само

выживание зависит от того, насколько эта клетка обладает способностью

управлять процессами биосинтеза, а также вносить качественные

преобразования в работу метаболического аппарата, отвечая на изменение

условий среды. Такие функции клетки потребовали развития и

наследственного закрепления весьма сложных и тонких регуляторных

механизмов, обеспечивающих прежде всего экономичность метаболических

процессов и, конечно, высокий уровень их координации.

Аппаратурное оформление биотехнологического процесса.

Биореакторы

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор - ферментер (рис. 10). Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, син-

теза целевого продукта. Биореакторы изготавливают из высоколигиро-ванных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.

Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые - от 1 до 10 л, многотоннажные - более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия.

Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботера-ми, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена). В биореакторах имеются пробоотборцики для отбора проб культураль-ной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование, рН, еН, рО₂, рСО₂ среды).

Тип биореактора, чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость, коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, тип перемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления, способ пеногашения, — далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, в отдельности и во взаимосвязи, влияют на процесс культивирования микроорганизмов и клеток.

Биореакторы подразделяют на три основные группы (рис. 11):

1) реакторы с механическим перемешиванием;

2) барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускают воздух;

3) эрлифтныереакторы с внутренней или внешней циркуляцией; перемешивание и циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком воздуха, за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Биореакторы первого типа используют чаще всего, так как они позволяют легко изменять технологические условия и эффективно доставлять к растущим клеткам воздух, определяющий характер развития микроорганизмов и их биосинтетическую активность. В таких реакторах воздух подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель - кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом цели используют мешалки - одну или несколько. Мешалки, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде. Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа оборотов, физико-химических свойств среды.

При интенсивном перемешивании культуральной среды происходит ее вспенивание, поэтому рабочий объем биореактора не превышает 70% общего объема. Свободное пространство над поверхностью раствора используется как буферное, где накапливается пена, и таким образом предотвращается потеря культуральной жидкости. В пенящейся жидкости условия аэрации лучше, чем в плотных растворах (при условии непрерывного перемешивания и циркуляции слоя пены, т.е. при исключении нахождения микроорганизмов вне культуральной жидкости). Вместе с тем вспенивание может привести к переувлажнению фильтров в отверстиях, через которые воздух выходит из биореактора, уменьшению потока воздуха и к попаданию в ферментер посторонних микроорганизмов.

Конструктивные особенности барботажных колонн и эрлифтных биореакторов дают этим типам ферментеров некоторые преимущества перед реакторами с механическим перемешиванием. Барботажные колонны более экономичны, так как перемешивание в них происходит восходящими потоками воздуха равномерно по всему объему. Отсутствие механической мешалки исключает один из путей проникновения в биореактор посторонних микроорганизмов. В барботажных биореакторах не возникает сильных гидродинамических возмущений (сдвигов слоев жидкости культуральной среды относительно друг друга).

Уменьшение сдвиговых факторов важно по следующим причинам: клетки рекомбинантных микроорганизмов менее прочны, чем нетрансформированные;

клетка отвечает на внешние воздействие уменьшением количества синтезируемых белков, в том числе рекомбинантных; под влиянием сдвиговых эффектов могут изменяться физические и химические свойства клеток, что затрудняет дальнейшую работу с ними (ухудшаются условия выделения, очистка рекомбинантных белков).

В барботажных колоннах воздух подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора; по мере подъема мелкие пузырьки воздуха объединяются, что влечет неравномерное его распределение. Кроме того, подача воздуха под высоким давлением приводит к сильному пе-нообразованию.

В эрлифтных биореакторах воздух подают в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, воздух увлекает за собой жидкость к верхней части канала, где расположен газожидкостный сепаратор (здесь частично выходит воздух). Более плотная деаэрированная жидкость опускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора и процесс повторяется. Таким образом, в эрлифтном биореакторе культуральная среда вместе с клетками непрерывно циркулирует в биореакторе.

Эрлифтные биореакторы выпускаются в двух конструктивных вариантах. В первом - реактор представляет емкость с центральной трубой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реакторы с внутренней циркуляцией). У эрлифтного биореактора второго типа культуральная среда проходит через отдельные независимые каналы (реактор с внешней системой циркуляции).

Эрлифтные биореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в суспензиях микроорганизмов с большей плотностью или вязкостью. Перемешивание в эрлифтных ферментерах более интенсивно и вероятность слипания пузырьков минимальна.

Для стерилизации биореактора применяют пар под давлением. Внутри биореактора не должно быть «мертвых зон», недоступных для пара во время стерилизации. Стерилизации подлежат все клапаны, датчики, входные и выходные отверстия.

Стерильность обеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего в асептических условиях. Стерильная передача жидкости осуществляется через штуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключает контаминацию куль-туральной жидкости посторонней микрофлорой и возможности попадания продуктов биосинтеза в окружающую среду. Основные агенты, контаминирующие клеточные культуры — бактерии, дрожжи, грибы, простейшие, микоплазмы, вирусы. Источники контаминации - воздух, пыль, питательные среды, рабочие растворы, оборудование, рабочий персонал.

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1627; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!