Типова схема та основні стадії біотехнологічних виробництв

Біотехнологічним процесом називають синтез будь - якого речовини (біотехнологічного продукту) при безпосередній участі живих мікроорганізмів і виділених з них ферментів - біологічних каталізаторів.

Основними особливостями і відмінностями біотехнологічного процесу є: участь мікроорганізмів, складний склад реакційного середовища, складний механізм реакції і тривалість її протікання, чутливість до зовнішніх умов (стерильності, тиску, температури і т. П.).

Біотехнологічні продукти отримують за індивідуальними технологіями зі своїми агентами, сировиною, кількістю стадій, технологічними режимами. Проте можна виділити схему, типову для даних виробництв. Загальний вигляд її наведено на рис. 4.


Основний в цій схемі є біотехнологічна стадія, головне завдання якої - отримання певного органічної речовини. Вона включає в себе ряд наступних біологічних процесів, за допомогою яких сировина перетворюється в той чи інший кінцевий продукт (див. Рис. 4).

Ферментація - особливий клас хімічних перетворень речовини, що складається з серії взаємопов`язаних реакцій синтезу і розкладання, що протікають в органічних речовинах під впливом ферментів. Ферменти, таким чином, являють собою універсальні біологічні каталізатори, що мають складний склад.

Біотрансформація - процес зміни хімічної структури речовини під дією ферментів або ферментативної активності клітин мікроорганізмів.

Біокаталізу - хімічні перетворення речовини, що протікають з використанням біокаталізаторів - ферментів.

Біоокислення - споживання забруднюючих речовин за допомогою мікроорганізмів або асоціації мікроорганізмів в аеробних умовах.

Метанове бродіння - переробка органічних відходів за допомогою асоціації метаногенних мікроорганізмів в анаеробних умовах.

Біокомпостірованіе - зниження вмісту шкідливих органічних речовин асоціацією мікроорганізмів в твердих відходах, яким додана спеціальна розпушену структура для забезпечення доступу повітря і рівномірного зволоження.

Біосорбції - сорбція шкідливих домішок з газів або рідин мікроорганізмами, зазвичай закріпленими на спеціальних твердих носіях.

Бактеріальне вилуговування - процес перекладу нерозчинних у воді сполук металів в розчинений стан під дією спеціальних мікроорганізмів.

Біодеградація - деструкція шкідливих сполук під впливом мікроорганізмів-біодеструкторів.

Підготовчі стадії служать для приготування і підготовки необхідних видів сировини біотехнологічної стадії. Тут використовують такі процеси: приготування середовища, її стерилізацію, підготовку посівного матеріалу і биокатализатора, попередню обробку сировини.

Поділ рідини і біомаси в залежності від їх властивостей здійснюють різними способами, що відрізняються рушійною силою процесу:

• відстоювання - поділ під дією сил гравітації (при очищенні стічних вод);
• фільтрація - пропускання суспензії через фільтруючий матеріал під дією різниці тисків з метою затримки біомаси на поверхні матеріалу. За допомогою мікро- або ультрафільтрації отримують розчин, вільний від зважених клітин біомаси;
• сепарація або центрифугування - поділ під дією відцентрових сил. Таким способом відокремлюють, наприклад, дріжджі при отриманні кормової біомаси;
• флотация - виділення біомаси з її пінної фракції;
• коагуляція - відділення твердих речовин від рідини шляхом їх осадження у вигляді великих агломератів і подальшого їх відстоювання.

Виділення продуктів біосинтезу, очищення та концентрування продукту є допоміжними процесами для отримання продукту в готовій формі. Деякі відмінності є лише на стадії виділення продуктів біосинтезу для внутрішньо-і позаклітинних продуктів. Так, для внутрішньоклітинних продуктів необхідно зруйнувати клітинну оболонку одним з методів- дезінтеграцією клітин, гідролізом, ферментолиз, автолізом і т. Д.

Дезінтеграція клітин здійснюється фізичними (ультразвук заморожування, декомпресія і т. П.), Хімічними і біотехнологічними методами.

Гідроліз - руйнування клітинних оболонок під дією хімічних реагентів і температури.

Ферментолиз - руйнування клітинних оболонок під дією ферментів при підвищеній температурі.

Автолиз - різновид ферментолиз, коли використовуються власні ферментні клітини.

Спільними для виділення внутрішньо-і позаклітинних продуктів є екстракція осадження, адсорбція, іонний обмін, отгонка, ректифікація ультрарованіе і нанофільтрація, зворотний осмос, центрифугування, ультрацентрифугирование.

Екстракція - перехід цільового продукту з водної фази в несмешивающимися з водою органічну рідину (екстрагент). Екстракція прямо з твердої фази, в тому числі і біомаси організмів, називається екстрагуванням.

Осадження - виділення цільового продукту шляхом додавання до рідини реагенту, що взаємодіє з розчиненим продуктом і переводить його в тверду фазу.

Адсорбція - переклад розчиненого в рідині продукту в тверду фазу шляхом його поглинання твердим носієм - сорбентом.

Іонний обмін схожий з адсорбцією, але в цьому випадку в тверду фазу переходять іони (катіони або аніони), а не цілком молекула цільового продукту або домішки.

Отгонка, ректифікація використовуються для виділення розчинених в культуральної рідини легкокипящих продуктів, наприклад, етилового спирту.

Ультрафільтрація, нанофільтрація, зворотний осмос застосовуються для виділення високомолекулярних сполук (білків, поліпептидів, полінук-леотідов). Зворотний осмос та нанофільтрація дозволяють відокремити навіть невеликі за розміром молекули.

Центрифугування, ультрацентрифугирование використовують для виділення вірусів, клітинних органел, високомолекулярних сполук.

Очищення продукту здійснюється з використанням різноманітних процесів, в числі яких екстракція, хроматографія, діаліз, ультрафільтрація, зворотний осмос. На стадії концентрування застосовують випарювання, сушіння, осадження, кристалізацію, ультра-, гіпер- або нанофільтрацію, що забезпечують «віджимання» розчинника з розчину.

Хроматографія використовується для розділення сумішей речовин, часто дуже близьких за будовою. Процес проводять в спеціальних хроматографічних колонках, заповнених твердим сорбентом. Всі речовини спочатку адсорбуються на цьому сорбенті. Десорбція ж різних за молекулярною масою з`єднань проходить з різною швидкістю, що дозволяє розділяти й очищати їх один від одного, використовуючи підходящий розчинник.

Діаліз використовується для розділення сумішей низько- і високомолекулярних сполук. Контроль здійснюється шляхом здатності низькомолекулярних речовин проходити через мембрану, що є непроникною для високомолекулярних сполук. Таким шляхом здійснюють очистку вакцин і ферментів від солей і низькомолекулярних розчинних домішок.

Кристалізація - процес, заснований на різній розчинності речовин при різних температурах. Як правило, в ході цього процесу виділяють тверді цільові продукти, а домішки залишаються в матковій розчині. Так, наприклад, отримують кристали пеніциліну.

Залежно від місця, яке займають біотехнологічні продукти в типовій технологічній схемі, вони можуть являти собою: 1) гази зі стадії ферментації (приклади - вуглекислий газ, біогаз) - 2) середу ферментації - кулипуральную рідина разом с мікроорганізмами (приклад - кефір) або твердий субстрат (приклад - сир) - 3) концентрат культуральної рідини (приклад - кормової лізин) - 4) рідина, отриману після відділення біомаси від культуральної рідини (приклад - квас, пиво) - 5) інактивовану біомасу (приклад - кормові дріжджі) - 6) життєздатну біомасу - біопрепарат (приклад - пекарські дріжджі, силосні закваски) - 7) ослаблену біомасу (приклад - живі вакцини) - 8) очищений потік рідини при очищенні стічних вод і т.д.

С.В. Макаров, Т.Є. Никифорова, Н.А. Козлов