Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 20 )

Выпаривание может быть ограничено стадией получения густого сиропообразного раствора целевого продукта. В этом случае вся процедура называется упариванием, а полученный продукт относится к категории жидких. Исчерпывающее удале­ние влаги, оставшейся после упаривания, обратного осмоса, ультрафильтрации, ведет к получению «сухого продукта» и выде­ляется технологами в особую стадию — обезвоживание продукта (сушка).

Обезвоживание продукта

В распоряжении биотехнолога имеются различные методы сушки. Их выбор зависит от физико-химических свойств обез­воживаемого продукта, в частности, от вязкости раствора и от стабильности или жизнеспособности при повышенных температу­рах, если речь идет о живых объектах. Наиболее старым методом можно считать сушку на подносах. Для сушки термостабильных антибиотиков и аминокислот применяют модификацию метода — ленточную. сущку. Подносы в этом случае заменяют на ленточный конвейер, ленту постоянно подогревают.

Перспективным методом является сушка в кшящеж-ХЛОе. Газообразный нагревательный агент (пар, воздух, СОг, дымовые или топочные газы) мощной струей врывается в сушильный аппарат снизу, и частицы обезвоживаемого продукта парят в газовом потоке. Принципиально аппарат совпадает с газофазным биореактором (см. гл. 2, § 5).

Преимуществом метода является возможность регулирования в широких пределах продолжительности пребывания материала в аппарате, интенсивности массопередачи и теплообмена, воз­можность организовать непрерывный процесс при простой кон­струкции аппарата ( и др., 1985). Ограничение метода состоит в том, что материал не должен приставать к стенкам сушильного аппарата. Метод пригоден для сушки анти­биотиков, аминокислот, крахмала, но не суспензий клеток (В. Sikyta, 1984е).

Барабанные сушилки, в которых обезвоживают микробные суспензии, состоят из вращающихся подогреваемых барабанов, погруженных в сосуд с суспензией. Соприкасаясь с барабаном, суспензия обезвоживается и присыхает в виде пленки к его стенкам. Высохшую биомассу соскребают со стенок ножом.

Особо чувствительные к нагреву материалы сушат в вакуум - сушильных шкафах, при пониженном давлении и температуре. Проблемы с этим видом сушильных аппаратов связаны с труд­ностью их обслуживания в промышленных условиях и частым выходом аппаратов из строя.

Распылительные сушилки превращают раствор или суспензию в        пропускания, под давлением через форсунку,

вращающийся диск и т. д. Дэрозоль подается в сушильную ка­меру, где его встречает нагретый газ — теплоноситель с темпера­турой 110—150°С. Воздействие столь высокой температуры огра­ничивает использование метода для сушки термолабильных ве­ществ и живых клеток. В производстве сухих силосных заквасок на основе молочнокислых бактерий выход жизнеспособных кле­ток после распылительной сушки не превышает 20—30% ( и др., 1985).

Разрабатываются низкотемпературные режимы сушки, для эффективного осуществления которых необходимо тщательно удалять влагу из газа-теплоносителя и обеспечить тонкодисперс­ное распыление исходной суспензии. Другой проблемой, прису­щей методу распылительной сушки, является налипание продукта на стенки сушильной камеры. Капли суспензии или раствора достигают стенок камеры раньше, чем успевают подсохнуть. Налипание влажных частиц на стенки вызывает нарушение ста­бильной работы всего сушильного аппарата. Предлагается пони­жать вязкость исходной суспензии (раствора), что достигается путем нагревания, уменьшения в ней содержания веществ и установки оптимального рН ( и др., 1985). Каждый из этих способов понижения вязкости не лишен, однако, своих проблем. Например, повышение температуры вызывает угрозу инактивации целевого продукта.

Полученный сухой продукт поступает на хранение после придания ему товарного вида. Возможен также вариант хими­ческой модификации продукта.

Лекция № 15  Пути модификации продукта. Стабилизация продукта.

Химическая модификация необходима в тех случаях, когда биотехнологический процесс сам по себе дает лишь «заготовку» целевого продукта. Так, антибиотик, продуцируемый микробной культурой, путем химических перестроек может быть превращен в различные медицинские препараты. Пенициллин G, образуемый Penicillium notatum, модифицируют с целью получения ампицил­лина, метициллина и других полусинтетических пенициллинов. В некоторых случаях достаточно, чтобы организм синтезировал определенную структуру, к которой химическим путем присоеди­няют необходимые заместители.

Иногда биообъект участвует лишь на одном каком-либо этапе (или немногих этапах) в цепи химических процессов, веду­щих к синтезу целевого продукта. Важный пример — придание продукту оптической асимметрии, что позволяет избежать трудо­емких химических синтезов. Биообъект (скажем, дрожжи) изби­рательно потребляет один из изомеров (например, только L-ами - нокислоты), в среде остается его оптический антипод. Подобная технология известна со времен Луи Пастера. Биообъект в подоб­ных случаях уподобляется одному из реактивов в наборе химика - органика, т. е. речь идет о микробной,, говоря шире, биотехноло­гической химии (Г. К - Скрябин, , 1985).

Модификация — необходимый этап в получении ряда фермен­тов, гормонов, препаратов медицинского назначения. Речь идет о перестройке соединений животного, растительного или микроб­ного происхождения с целью придания им специфических свойств, необходимых человеку. У бычьего инсулина «отстри­гают» аминокислотные остатки, после чего он становится иден­тичным человеческому гормону.

Генно-инженерные белки часто наряду с нужными человеку несут балластные аминокислотные последовательности. Короткие пептиды (соматостатин и др.) обычно получают в составе химер­ных белков, включающих аминокислотную последовательность р-галактозидазы Е. coli или другого бактериального белка. Химическая модификация сводится в этом случае к отщеплению лишних аминокислотных последовательностей. Если продукт по­лучают в виде мультимера (способ защиты от внутриклеточных протеаз), необходимо его последующее «нарезание» на функцио­нально активные мономеры.

Стабилизация продукта

Мероприятия, направленные на сохранение свойств продукта в период его хранения и использования потребителем, включают различные физико-химические воздействия на продукт. Так, сушка может значительно повысить устойчивость продукта к внешним воздействиям. Показано, что обезвоживание ряда фер­ментов наряду с некоторым снижением их активности ведет к повышению их стабильности, включая устойчивость к нагрева­нию. Панкреатическая липаза свиньи, сразу теряющая актив­ность в водной среде при нагревании до 100°С, функционирует более двенадцати часов при той же температуре в смеси гептано - ла и трибутирина. Физические воздействия, используемые для консервации живых объектов, рассмотрены в гл. 1, § 6.

К стабилизации различных продуктов, в том числе кормового микробного белка, ведет добавление наполнителей из грибного мицелия, пшеничных отрубей, кукурузной муки, которые сами обладают питательной ценностью (, - тере, 1985). Стабилизация ферментов достигается добавлением глицерина или углеводов, которые образуют многочисленные во­дородные связи с аминокислотными остатками, препятствуя тем самым спонтанной (при длительном хранении) или индуцирован­ной нагреванием денатурации ферментов (A. Freeman, 1984). Стабильность ферментов возрастает также при добавлении неор­ганических ионов — Со2+, Mg2+, Na+ для пектиназы, формали­на— 0,2%-ного раствора для глюкоамилазы, антибиотиков — низина для глюкоамилазы (, , 1985).

97

В некоторых случаях стабилизация не исчерпывается физико - химическими средствами и представляет собой задачу особого биотехнологического процесса. Меланж, получаемый из яичных желтков, — ценный пищевой продукт, через несколько месяцев хранения темнеет, его органолептические свойства ухудшаются.

Порча меланжа может быть предотвращена, если из него уда­лить углеводы. С этой целью на меланже рекомендуется выра­щивать пропионовые бактерии, «выедающие» углеводы. Это приводит к значительному удлинению срока хранения меланжа. В то же время пропионовые бактерии повышают питательную ценность меланжа, обогащая его органическими кислотами и витамином В12 (, 1986).

Цели стабилизации белковых продуктов преследуют методы белковой инженерии (см. гл. 1, § 3). Эти методы позволяют по­высить стабильность продуктов при длительном хранении и их устойчивость к нагреванию. Важность повышения термостабиль­ности белков, особенно ферментов, находится в тесной связи с расширением области применения термофильных процессов в современной биотехнологии. Представляет интерес увеличение термостабильности лизоцима фага Т4 Е. coli. Путем генных манипуляций в положении 3 полипептидной цепи лизоцима заменен изолейцин на цистеин, так что образовалась новая дисульфидная связь с цистеином в положении 97. Это обусловило резкое повышение термостабильности лизоцима (, 1985).

Принципиально новые возможности для стабилизации фер­ментов и целых клеток биообъекта открывает их иммобилизация.