Ферментация (култивиране)
Култивирането е най-важният и най-дълъг етап от биотехнологичното производство. Ферментацията е съвкупност от последователни операции от въвеждането на инокулум в предварително подготвена и термостатирана хранителна среда до завършване на процесите на растеж и биосинтеза поради изчерпването на хранителните вещества в средата. Има два основни вида ферментации: получаване на биомаса от микроорганизми и получаване на ценни вещества (метаболити), които възникват по време на растежа или на следващите етапи от развитието на културата.
За култивиране на микроорганизми в промишлен мащаб се използватферментатори (или ферментатори)- реакционни контейнери, в които микроорганизмите се намират при определени условия. Основната цел на ферментатора е своевременно да осигури на микробните клетки необходимите хранителни вещества и кислород (ако е необходимо) и да премахне метаболитните продукти, да създаде хомогенен състав на средата при слаб поток на културалната течност (с непрекъснато култивиране).
Независимо от метода на култивиране, преди пълненето на ферментаторите със средата, те се измиват, проверяват за течове и както самият ферментатор, така и тръбопроводната система се стерилизират с гореща пара. За да се гарантира стерилността на ферментатора, той често се използва за предварителна обработка с химически дезинфектанти (този процес се извършва непосредствено преди обработката с гореща пара). След това се напълва със стерилна охладена хранителна среда. Количеството среда във ферментатора не трябва да надвишава 70% от общия му обем. След това семената се въвеждат във ферментатора през линията за семена, като се използва стерилен въздух. Още преди доставката му, температурата и pH на хранителната среда трябва да бъдат доведени до оптималните стойности зана тази култура. Съответно регулирайте интензивността на аериране и смесване на средата. Пяната обикновено се натрупва в пространството над течността. Ако неговият слой се увеличи значително, тогава в апарата се въвеждат химически пеногасители. По време на ферментацията температурата и pH на средата се регулират автоматично, ако е необходимо, се добавят киселинни или алкални разтвори. По специален график се вземат течни проби от ферментатора за биохимичен и микробиологичен контрол.
Ферментацията се спира, когато в средата се натрупа максимално количество полезен продукт. Краят на ферментацията може да се определи и микробиологично чрез морфологични промени в клетките на продуцента.
След приключване на ферментацията културалната течност се охлажда до 10–15 °C и се изпомпва в резервоари, от които постепенно се подава за по-нататъшна обработка.
Изолиране на целевия продукт
Етапът на изолиране на продукта по същество зависи от това дали продуктът се натрупва в клетките или се освобождава в културалната течност, или дали продуктът е самата клетъчна маса. Разделянето на биомасата и културалната течност -разделяне- се извършва по няколко метода.
Изолиране на биомаса. Ако целевият продукт е клетъчна биомаса, се използват следните методи за изолиране: утаяване, филтриране, флотация, сепарация и др. (механични методи); изпаряване и сушене (физични методи).
Филтриранетое прост и широко използван процес на разделяне на твърдо вещество и течност, чиято скорост зависи от порьозността на филтърната среда и налягането. Филтрирането с вакуумни помпи значително ускорява процеса.
Флотациятае приложима за изолиране на клетки от дрожди. Процесът на клетъчна флотация се осъществява отразпенваща културална течност. Заедно с пяната, основната част от дрождите също се отстранява от културалната течност.
Разделянетосе извършва в сепаратори, в които центробежната сила действа върху клетките, изхвърляйки клетките към периферията на съда, а културалната течност ще се събира в центъра на сепаратора. Този процес е много по-бърз отутаяванетона клетките под действието на гравитацията.
Извличане на целевия продукт от клетките. Ако целевият продукт се съдържа в самите клетки, тогава клетките се унищожават -дезинтеграция- чрез физични, химични и ензимни методи.
Физическитеметоди включват разрушаване на клетки под действието на ултразвук, замразяване-размразяване, балистично разпадане. Балистичното разпадане на клетките се извършва в мелници, където се поставят клетъчна суспензия и спомагателни вещества за смилане: пясък, стъкло или полимерни топки.
Химичнитеметоди за разпадане включват унищожаване на клетки с помощта на толуен, бутанол и други химични съединения.
Когато се използваензимноклетъчно разпадане, се използват ензими, които са способни да разрушат определени структурни компоненти на клетъчните стени на микроорганизмите. Например, лизозими от яйца, бактерии, актиномицети или гъби се използват за унищожаване на бактериални клетки. За унищожаване на дрожди и плесени се използват фосфоманаза и бета-глюконаза или се използва автолиза.Автолиза– унищожаване на клетки от дрожди или плесени чрез действието на техните собствени хидролитични ензими. За целта клетъчната суспензия се инкубира при 35–45 ˚C.
Изолирането на продукта от културалната течност или хомогената на унищожени клетки се извършва чрез неговото утаяване, екстракция, кристализация илисорбция.
В най-простия случай цялатакултурална течност може да се използва като краен продукт, например при производството на бактериални торове, ако се използват в течна форма. В алкохолната промишленост амилолитичните плесенни ензими понякога се използват в течна форма. При производството на витаминни и аминокиселинни концентрати за нуждите на добитъка понякога се използват всички ферментационни продукти. В такива случаи културалната течност се изпарява във вакуумна апаратура и се изсушава в пулверизационна сушилня.
Утаяванетопод формата на неразтворими соли се извършва чрез добавяне на химически утаител в еквимоларни количества. Прилага се при получаване на лимонена, млечна киселина.
Екстракция– добавяне на екстрагент (разтворител) към разтвора, който абсорбира целевия продукт. След това емулсията се отделя и целевото вещество се изолира. Използва се за получаване на витамини, антибиотици.
Кристализация– след предварителна обработка на културалната течност и изпаряване с охлаждане се извършва кристализация. Този метод на изолиране и пречистване се използва при производството на глутаминова, итаконова и други киселини.
След това изолираният продукт се концентрира чрез центрофугиране, ултрафилтрация, изпаряване или обратна осмоза.
Центрифугиране– разделяне на разтвор с частици с по-висока плътност в утайка и супернатантна течност под въздействието на центробежна сила.
Ултрафилтрация- обработка на разтвор върху мембранни филтри с определен размер на порите (т.е. разделяне на веществата на фракции според размера на техните молекули). Използва се за ензими и други протеини.
Пречистване на целевия продукт
Този етап е необходим при получаване на пречистен целеви продукт, например ензимпрепарати със степен на пречистване повече от два пъти. Този етап води до увеличаване на цената на получения целеви продукт. За осъществяване на процеситена йонообмен, дестилация, ректификация, изпаряване, кристализацияи други в микробиологичното производство се използва химично технологично оборудване.
За пречистване на ензими се използва селективнасорбция(свързване) с каолин, калциев трифосфат, алуминиев хидроксид и други адсорбенти. Така се адсорбират или ензимът, или баластните протеини, които след това се отделят чрез центрофугиране. Ензимът се отделя от сорбента с фосфатен буферен разтвор.
На последния етап продуктът се отделя от примесите, концентрира се и се стабилизира. След стабилизиране на продукта, в зависимост от това дали крайният продукт трябва да бъде сух или течен, той се дехидратира или веднага се пакетира и изпраща за съхранение и след това към потребителя.
ВЪПРОСИ ЗА САМОРЕГИСТРИРАНЕ:
1. Избройте основните етапи на биотехнологичното производство.
2. Какво е семе?
3. Как се подготвят семената при производствени условия?
4. Какви компоненти са включени в хранителните среди?
5. Какво е ферментация?
6. Какви методи се използват за отделяне на биомасата от културалната течност?
7. Избройте основните етапи на биотехнологичната схема за получаване на продукти от микробен синтез.
8. Как да се определят физиологичните нужди на микроорганизмите от хранителни вещества?
9. Какви методи се използват за дезинфекция на хранителни среди в биотехнологичното производство?
10. Опишете последователността на получаване на инокулум за промишленото производство на целевия продукт.
11. Основното предназначение на ферментатора.
12.Какво определя етапа на изолиране на целевия продукт?
13. Какви методи се използват за отделяне на клетъчната биомаса от културалната течност?
14. Какво е дезинтеграция, в какви случаи се извършва?
15. Разкажете ни за основните методи за разпадане на клетките.
16. Каква е разликата между разделяне и центрофугиране?
17. В какви случаи се извършва етапът на пречистване на целевия продукт?
18. Какво е сорбция?
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсенето в Google на сайта: