Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологического производства» (стр. 3 )

Рассмотрим классификацию продуктов по этому признаку.

1.  Продуктом являются газы со стадии ферментации. Примеры: диоксид углерода в спиртовом производстве, биогаз в переработке отходов путем метанового брожения, водород при культивирова­нии фототрофов. Особый случай — очищенный газ, если его спе­циально пропускают через биофильтр.

2.  Продукт — среда  ферментации:  кулътуралъная  жидкость вместе  с  микроорганизмами  (например,  кефир,  йогурт)  или твердый субстрат (например, сыр или ферментированная с зак­васками колбаса).

3.  Концентрат культуральной жидкости — выпаренный или вы­сушенный. Таким образом получают кормовой лизин или кормо­вые антибиотики.

4.  Жидкость, получающаяся после отделения биомассы от культу­ральной жидкости. Она называется в зависимости от способа разде­ления — осветленная, надосадочная, нативный раствор, фильтрат, фугат, пермеат или супернатант. Такая жидкость может быть гото­вым продуктом, например пиво, вино, квас.

5.  Концентрат жидкости (см. п. 4), получаемый с помощью вы­паривания, сушки или ультрафильтрации.

6.  Биомасса инактивированная (кормовые дрожжи, которые на завершающих стадиях подвергаются тепловой стерилиза­ции).

7.  Биопрепарат — жизнеспособная биомасса микроорганизмов (пекарские дрожжи, бактериальные средства защиты растений, биодеструкторы нефтяных загрязнений, бактериальные удобре­ния, силосные закваски и т. п.).

Биопрепарат может изготавливаться в жидком или в высушен­ном виде, но во всех случаях входящие в его состав микроорганиз­мы должны быть жизнеспособными.

8.  Ослабленная  биомасса микроорганизмов.  Пример —живые вакцины, когда клетки патогенных микроорганизмов подвергают­ся обработке тепловыми воздействиями или химическими реаген­тами для снижения их патогенности.

9.  Внеклеточный биопродукт — легкокипящая жидкость. При­мер — этанол, выделяемый из среды отгонкой или ректифика­цией.

10.  Внеклеточный биопродукт — твердое вещество или высококи-пящая жидкость, растворенные в культуральной жидкости. Биопро­дукт требует различной степени очистки (в зависимости от назна­чения).  Примеры — многие медицинские антибиотики, чистые пищевые или медицинские аминокислоты, лимонная кислота.

П. Внутриклеточный продукт (различной степени очистки) — многие антибиотики, витамины, нуклеотиды.

12.  Переработанная биомасса микроорганизмов. Примеры: гид-ролизаты и ферментолизаты, используемые как источники корм­ления животных или как вкусовые добавки; клеточные оболочки, получаемые после разрушения микроорганизмов и применяемые как сорбент для очистки соков, вина, пищевых жидкостей.

13.  Очищенный от загрязнений поток жидкости — при очистке сточных вод.

14.  Очищенная от загрязнений твердая среда — например, почва при микробиологической очистке ее от нефтяных загрязнений.

15. Жидкая среда (культуральная жидкость) с экстрагированными (выщелоченными) из твердой фазы компонентами. Примеры — бак­териальное выщелачивание металлов из руд, микробиологическое обессеривание угля и нефти.

Лекция № 6 СОСТАВЛЕНИЕ БЛОК-СХЕМ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

План

Лекция № 7 ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

План

Классификация процессов ферментации. Основные параметры периодической ферментации.

1.Мы уже дали определение процессу ферментации как процес­су, в котором происходит преобразование исходного сырья в про­дукт с использованием биохимической деятельности микроорга­низмов или изолированных клеток.

Практически синонимами слова «ферментация» можно считать такие термины, как культивирование, выращивание микроорганиз­мов, биосинтез.

Следует отличать ферментацию от биокатализа (в котором уже полученный ранее фермент или биомасса микроорганизмов ис­пользуются как катализаторы биохимического процесса синтеза продукта из исходного сырья и реагентов) и от биотрансформации (в этом процессе также применяется биокатализатор в виде фер­мента или биомассы микроорганизмов, но исходное вещество по химической структуре мало отличается от продукта биотрансфор­мации).

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

По признаку целевого продукта процесса ферментация может быть следующих типов:

1)  ферментация, в которой целевым продуктом является сама биомасса микроорганизмов; именно такие процессы часто обо­значают словами «культивирование», «выращивание»;

2)  целевым продуктом является не сама биомасса, а продукты метаболизма — внеклеточные или внутриклеточные; такие про­цессы часто называют процессами биосинтеза;

3)  задачей ферментации является утилизация определенных компонентов исходной среды; к таким процессам относятся био­окисление, метановое брожение, биокомпостирование и биодег­радация.

Исходную среду в процессах ферментации или ее основной компонент часто обозначают словом «субстрат».

По основной фазе, в которой протекает процесс ферментации, различаются:

поверхностная (твердофазная) ферментация (культивирова-

ние на агаровых средах, на зерне, производство сыра и колбас, биокомпостирование и др.);

2)  глубинная (жидкофазная) ферментация, где биомасса мик­роорганизмов суспендирована в жидкой питательной среде, через которую при необходимости продувается воздух или другие газы;

3)  газофазная ферментация, в которой процесс протекает на твердом носителе, где закрепляются микроорганизмы, но сами ча­стицы носителя взвешены в потоке газа, насыщенном аэрозолем питательной среды. Надо сказать, что подобный способ фермен­тации используется довольно редко, в основном при очистке газов от вредных и одорирующих примесей.

По отношению к кислороду различают аэробную, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию — по аналогии с клас­сификацией самих микроорганизмов.

По отношению к свету — световая (фототрофная) и темновая (хемотрофная) ферментация.

По степени защищенности от посторонней микрофлоры — асеп­тическая, условно асептическая и неаселтическая ферментация. Иногда асептическую ферментацию называют стерильной, что не­верно: в среде есть целевые микроорганизмы, но нет чужеродных.

В условно асептической ферментации допускается некоторый уровень попадания посторонней микрофлоры, которая способна сосуществовать с основной или по содержанию не превышает оп­ределенного предела.

По числу видов микроорганизмов различают ферментации на ос­нове монокультуры (или чистой культуры) и смешанное культи­вирование, в котором осуществляется совместное развитие ассо­циации двух или более культур.

По способу организации процессы ферментации могут быть:

1) периодические;

2) непрерывные;

3) многоциклические;

4) отъемно-доливные;

5) периодические с подпиткой субстрата;

6) полунепрерывные с подпиткой субстрата.

Все эти виды ферментации (по способу их организации) легко идентифицировать по способу загрузки сырья и выгрузки про­дукта.

В периодических процессах загрузка сырья и посевного материа­ла в аппарат производится единовременно, затем в аппарате в те­чение определенного времени идет процесс, а после его заверше­ния полученная ферментационная жидкость выгружается из аппа­рата. На рис. 4.1 представлен график изменения объема среды в аппарате во времени при периодической ферментации.

В непрерывных процессах загрузка и выгрузка среды протекают непрерывно и одновременно, причем скорость подачи в аппарат свежей питательной среды равна скорости отбора из аппарата

ферментационной жидкости. В итоге объем среды в аппарате со­храняется постоянным в течение длительного времени (рис. 4.2), теоретически —бесконечно, а практически — до какой-нибудь не­поладки.

Многоциклические процессы в основном напоминают периоди­ческие, но при выгрузке в аппарате оставляется часть фермента­ционной жидкости, которая служит посевным материалом для следующей ферментации (цикла), и только после этого добавляет­ся свежая питательная среда (рис. 4.3). Такая организация процес­са позволяет обойтись без специальной стадии приготовления по­севного материала.

В отъемно-доливных процессах ферментация в промежутках между загрузкой и разгрузкой аппарата протекает как периодичес­кая, но после некотооого времени, опоелеляемого по состоянию

процесса, часть ферментацион­ной среды выгружают и заменя­ют свежей средой (рис. 4.4).

В сравнении с многоцикли­ческим процессом здесь мень­ше отбираемая часть жидкости, но зато и интервалы между от­борами меньше и число отбо­ров гораздо больше. Процесс при таких частых отборах и до­бавлениях среды протекает по-другому, чем в строго периоди­ческом процессе, и часто имеет лучшие характеристики, а не только обеспечивает экономию на посевном материале.

В периодическом процессе с подпиткой субстрата часть среды загружается в начале ферментации, а другая часть добавляется не­прерывно по мере протекания процесса (рис. 4.5). Естественным завершением процесса является переполнение аппарата, поэтому необходимо переходить на строго периодический процесс с мак­симальным объемом среды и быстро завершать его.

Полунепрерывные процессы с подпиткой субстрата являются со­четанием отъемно-доливньтх и подпиточных (рис. 4.6). В рассмот­ренном процессе с подпиткой после достижения определенного состояния происходит отбор части ферментационной жидкости из аппарата, а затем постеленное добавление субстрата до нового за­полнения аппарата.

В результате удается снять с одного аппарата во много раз боль­ше культуральной жидкости, да и процесс при этом протекает значительно интенсивнее.