Обоснование основных контролируемых параметров на стадии ферментации

Ферментация

Ферментация – основная стадия в биотехнологическом процессе, на которой происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образуются целевые продукты. Она осуществляется в биохимическом реакторе (ферментаторе) и может быть организована различными способами, в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к качеству и типу конечного продукта.

Биотехнологическое производство может быть предназначено для различных потребностей, оно используется во многих сферах жизни, от пищевой промышленности (получение живых клеток кисломолочных бактерий) до медицины (изготовление вакцин и антибиотиков). [1] В данной статье мы рассматриваем его в контексте производства биопрепаратов.

Обобщенная схема процессов в биотехнологии

Стадии биотехнологического процесса

Любой биотехнологический процесс проходит в три основных стадии:

Принципиальная схема указана на рисунке. В ней сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов. [2] (фото)

Предферментационная стадия

Также на предферментационной стадии проводится подготовка и получение питательных субстратов и сред, технологических и рециркулируемых воды и воздуха, настройка ферментационной аппаратуры. Компоненты питательных сред выбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит с учетом расходуемой (выделяемой) энергии. [2]

Промышленный штамм

Подготовленный к процессу инокулят носит название промышленного штамма. В идеале промышленный штамм должен удовлетворять следующим требованиям:

При выращивании посевных доз инокулята используют принцип масштабирования, т.е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в бутылях, колбах, далее – в серии последовательных ферментаторов. Как правило, каждый последующий этап процесса на порядок отличается по объему от предыдущего. Полученный продуцент направляется по стерильной посевной линии далее в аппарат, где реализуется ферментационная стадия. [2]

Приготовление питательных сред

Приготовление питательных сред происходит в специальных реакторах, оборудованных мешалками, обеспечивающими массообмен. В зависимости от совместимости и растворимости компонентов сред могут быть использованы отдельные реакторы. Технология приготовления значительно усложняется, если в состав сред входят нерастворимые компоненты. [2]

Ферментация

Ферментация может происходить в строго асептических условиях или без соблюдений правил стерильности (т.н. незащищенная ферментация); на твердых и жидких средах, аэробно и анаэробно. [2]

Аэробная ферментация протекает глубинно (во всей толще питательной среды) или поверхностно. Культивирование биологических объектов может осуществляться в проточном или периодическом режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом. [2]

Постферментационная стадия

В зависимости от целевого назначения конечного продукта, его вида (культуральная жидкость или клетка) и его природы, на постферментационной стадии используют различную аппаратуру, способы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках. [2] (фото 2)

Виды ферментаторов

Основное назначение ферментатора состоит в том, чтобы обеспечить оптимальные условия для развития инокулята и образования целевого продукта. Если рассматривать общее устройство данного аппарата, то он, как правило, выглядит в виде вертикального стального цилиндра с полукруглым дном. В верхней части находится крышка с отверстиями для ввода питательной среди, а из нижней сливается культуральная жидкость. Конструкция аппарата позволяет создать наилучшие условия для производства: он оснащен мешалками, трубками для подачи и вывода воздуха, приспособлениями, обеспечивающими равномерность концентрации растворимых веществ и коллоидных частиц в среде. [1]

Ферментаторы классифицируются по способу ввода энергии для перемешивания: [2]

Источник

Обоснование основных контролируемых параметров на стадии ферментации

Эффективность биотехнологического производства определяется, в первую очередь, производительностью основного оборудования. Поэтому проведению стадии основной ферментации уделяется большое внимание. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных опера­ций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой тем­пературы среду посевного материала и до завершения процесса роста кле­ток или биосинтеза целевого продукта. По окончании ферментации обра­зуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непо­требленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.

Процесс ферментации может осуществляться 2-мя способами: поверхностного культивирования, когда выращивание производствен­ной культуры производят на среде, содержащей твердые частицы субстра­та; 2) глубинного культивирования, когда выращивание той же культуры микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды, содержащей растворенный субстрат.

При поверхностном способе культивирование проводится в так назы­ваемых кюветах, которые представляют собой противни, изготовленные из оцинкованной жести или нержавеющей стали с перфорированным днищем. Размер их обычно 600x800x30 мм, перфорация выполнена в виде щелей 2×20 мм. Заполненные питательной средой кюветы размещают на этажерках с небольшим наклоном через каждые 100-120 мм по высоте. В целях экономии производственных площадей кюветы объединяют в кассе­ты. Многоярусные подвижные этажерки устанавливают в растилыше ка­меры, имеющие размеры (в мм) 200х 1000×200. Камеры располагают меж­ду 2-мя коридорами: загрузочным и разгрузочным; с обеих сторон камеры снабжены герметичными дверями. Такой вариант не является эффектив­ным, поскольку предполагает использование громоздкого оборудования, значительную долю ручного труда. Способ находит ограниченное приме­нение, в основном в случае, если продукт не может быть получен глубин­ным культивированием.

В зависимости от цели биотехнологического производства — получение клеток или продуктов их жизнедеятельности — способы ведения основной ферментации несколько различаются. Если процесс направлен на получение биомассы, то назначение ферментации — получить максимально воз­можный титр клеток, а в случае получения метаболитов их накопление осуществляют одновременно, причем максимумы образования продуцента и целевого продукта всегда сдвинуты по времени. Поэтому продолжи­тельность ферментации в первом случае всегда меньше, чем во втором.

Просто в ферментационной среде создаются условия, например низкие значения рН или повышенные температуры, которые обеспечивают доминирование производственного штамма над посторонней микрофлорой. Примером таких технологий является культи­вирование в непрерывных условиях кормовых дрожжей и получение ук­сусной кислоты при пониженных значениях рН среды, а также производ­ство кормового витамина Вц и анаэробное сбраживание органических ве­ществ, где используются термофильные микроорганизмы и стадию фер­ментации проводят при температуре 50-55°С.

Чтобы обеспечить доминирующий рост производственному штамму, пользуются приемом, суть которого сводится к увеличению доли посевно­го материала, передаваемого в основной аппарат. Она может достигать 20-25%.

Ферментационные процессы отличаются и значениями контролируе­мых параметров. К ним, прежде всего, относятся температура, рН среды, объемный расход воздуха. При культивировании различных микробных клеток интервал рабочих температур варьирует от 25 до 60°С, значения рН — от 2 до 9, расход воздуха в аэробных процессах — от 0.15 до 2.5 м° на 1 м’ среды в минуту. Весьма важна точность, с которой эти параметры под­держиваются в ходе проведения отдельной ферментации. Температуру стараются поддерживать с точностью 1°С, рН среды — 0.2, объемный рас­ход воздуха — 10%. Продолжительность проведения отдельных фермента­ции тоже сильно варьирует. Если целью является получение биомассы промышленного штамма в периодическом процессе, то время культивиро­вания в периодическом процессе не превышает 24 ч. При производстве первичных метаболитов время биосинтеза составляет уже 48-72 ч, а вто­ричных — более 72-144 ч.

Технологическое оформление процессов биосинтеза различается также в зависимости от отношения организма-продуцента к кислороду. С этой точки зрения различают аэробные и анаэробные процессы.

Большинство используемых в современном производстве культур мик­роорганизмов являются аэробными, т.е. требуют присутствия кислорода в среде. Это достигается путем обеспечения необходимой концентрации растворенного кислорода в жидкой питательной среде. Для того, чтобы облегчить растворение кислорода в воде, внутрь ферментера помещают так называемые барботеры (трубы с малыми отверстиями по всей длине). При этом кислород поступает в жидкую фазу в виде мелких пузырьков, что при работающей мешалке увеличивает скорость его растворения. Од­нако иногда в микробиологической промышленности, например при по­лучении витамина В]2, используются анаэробные культуры.

Вопросы, связанные с подводом или отводом тепла в ходе ферментации являются очень актуарными в ряде биотехнологических производств. Проблема обусловлена прежде всего тем, что температурный оптимум роста клеток большинства микроорганизмов лежит в интервале 26-40°С. Кроме того, в аэробных процессах на стадии выращивания, продуцента на­блюдается значительное тепловыделение. При работе с большими объе­мами ферментационной среды поддержание температуры на требуемом уровне является непростой задачей. Для отвода тепла на практике наибо­лее часто применяют охлаждение ферментера оборотной водой, которая подается в змеевики и многосекционные рубашки. Однако такой метод оказывается малоэффективен в теплое время года, когда разность темпе­ратур ферментационной среды и оборотной воды порой не превышает не­скольких градусов.

По окончании ферментации культуральная жидкость поступает на пе­реработку, где происходит выделение и очистка целевого продукта

Источник

Микробы

Микроорганизмы:

Плесени — это простейшие растения из семейства грибов. Однако они намного сложнее по структуре, чем бактерии или дрожж.

Микроорганизмы

Термин «микроорганизм» применяется к группе растений и животных микроскопического и субмикроскопического размера. Микр.

Популярные статьи

Исследования

Разделы

Вирусы:

Вирусы под микроскопом

Типы бактериофагов

Живая часть вируса

Открытие мелких микроорганизмов

Основы вирусологии:

САНИТАРНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ. Санитарно-микробиологические исследования

Микроорганизмы, и в первую очередь бактерии, распространены в природе гораздо шире, чем другие живые существа. Благода.

Кл. Саркодовые

В этот класс включены обитатели морей, водоемов и почвы. Они относятся к примитивным простейшим, которых называют амеб.

Основные виды простейших, вызывающих заболевания у человека. Кл. Жгутиконосцы

Основное отличие простейших этого класса — наличие на одной из стадий развития жгутика — одного или нескольких. Наибол.

Авторизация

Основная ферментация

Эффективность биотехнологического производства определяется, в первую очередь, производительностью основного оборудования. Поэтому проведению стадии основной ферментации уделяется большое внимание. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных опера­ций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой тем­пературы среду посевного материала и до завершения процесса роста кле­ток или биосинтеза целевого продукта. По окончании ферментации обра­зуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непо­требленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.

Процесс ферментации может осуществляться 2-мя способами: поверхностного культивирования, когда выращивание производствен­ной культуры производят на среде, содержащей твердые частицы субстра­та; 2) глубинного культивирования, когда выращивание той же культуры микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды, содержащей растворенный субстрат.

При поверхностном способе культивирование проводится в так назы­ваемых кюветах, которые представляют собой противни, изготовленные из оцинкованной жести или нержавеющей стали с перфорированным днищем. Размер их обычно 600x800x30 мм, перфорация выполнена в виде щелей 2×20 мм. Заполненные питательной средой кюветы размещают на этажерках с небольшим наклоном через каждые 100-120 мм по высоте. В целях экономии производственных площадей кюветы объединяют в кассе­ты. Многоярусные подвижные этажерки устанавливают в растилыше ка­меры, имеющие размеры (в мм) 200х 1000×200. Камеры располагают меж­ду 2-мя коридорами: загрузочным и разгрузочным; с обеих сторон камеры снабжены герметичными дверями. Такой вариант не является эффектив­ным, поскольку предполагает использование громоздкого оборудования, значительную долю ручного труда. Способ находит ограниченное приме­нение, в основном в случае, если продукт не может быть получен глубин­ным культивированием.

Просто в ферментационной среде создаются условия, например низкие значения рН или повышенные температуры, которые обеспечивают доминирование производственного штамма над посторонней микрофлорой. Примером таких технологий является культи­вирование в непрерывных условиях кормовых дрожжей и получение ук­сусной кислоты при пониженных значениях рН среды, а также производ­ство кормового витамина Вц и анаэробное сбраживание органических ве­ществ, где используются термофильные микроорганизмы и стадию фер­ментации проводят при температуре 50-55°С.

Чтобы обеспечить доминирующий рост производственному штамму, пользуются приемом, суть которого сводится к увеличению доли посевно­го материала, передаваемого в основной аппарат. Она может достигать 20-25%.

Технологическое оформление процессов биосинтеза различается также в зависимости от отношения организма-продуцента к кислороду. С этой точки зрения различают аэробные и анаэробные процессы.

Большинство используемых в современном производстве культур мик­роорганизмов являются аэробными, т.е. требуют присутствия кислорода в среде. Это достигается путем обеспечения необходимой концентрации растворенного кислорода в жидкой питательной среде. Для того, чтобы облегчить растворение кислорода в воде, внутрь ферментера помещают так называемые барботеры (трубы с малыми отверстиями по всей длине). При этом кислород поступает в жидкую фазу в виде мелких пузырьков, что при работающей мешалке увеличивает скорость его растворения. Од­нако иногда в микробиологической промышленности, например при по­лучении витамина В]2, используются анаэробные культуры.

Вопросы, связанные с подводом или отводом тепла в ходе ферментации являются очень актуарными в ряде биотехнологических производств. Проблема обусловлена прежде всего тем, что температурный оптимум роста клеток большинства микроорганизмов лежит в интервале 26-40°С. Кроме того, в аэробных процессах на стадии выращивания, продуцента на­блюдается значительное тепловыделение. При работе с большими объе­мами ферментационной среды поддержание температуры на требуемом уровне является непростой задачей. Для отвода тепла на практике наибо­лее часто применяют охлаждение ферментера оборотной водой, которая подается в змеевики и многосекционные рубашки. Однако такой метод оказывается малоэффективен в теплое время года, когда разность темпе­ратур ферментационной среды и оборотной воды порой не превышает не­скольких градусов.

По окончании ферментации культуральная жидкость поступает на пе­реработку, где происходит выделение и очистка целевого продукта.

Источник

Классификация процессов ферментации

По признаку целевого продукта процесса, ферментация может быть следующих типов:

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

2) целевым продуктом является не сама биомасса, а продукты ме- таболизма — внеклеточные или внутриклеточные; такие процессы ча- сто называют процессами биосинтеза;

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

По основной среде, в которой протекает процесс,

ферментация бывает:

1) поверхностная (твердофазная);

2) глубинная (жидкофазная);

3) газофазная ферментация.

По числу видов микроорганизмов различают:

1) ферментацию на основе монокультуры;

2) смешанное культивирование, где участвует микробная ас-

социация двух и более культур.

По способу организации во времени:

5) периодическая с подпиткой субстрата;

6) полунепрерывная с подпиткой субстрата.

Рассмотрим более подробно периодическую ферментацию.

Основные параметры периодической ферментации

В периодических процессах загрузка сырья и посевного материа- ла в аппарат производится единовременно, затем в аппарате в течение определенного времени идет процесс, а после его завершения получен- ная ферментационная жидкость выгружается из аппарата.

После того как в аппарат загрузили среду, создали необходимую температуру, добавили посевной материал и стали подавать воздух для аэрации, собственно говоря, и начался процесс ферментации. Как сле- дить за протеканием этого процесса? Для этого необходимо время от

времени или непрерывно определять, какие изменения происходят в ферментационной среде.

Обычно состояние процесса характеризуется следующими основ-

− концентрация биомассы микроорганизмов X;

− концентрация субстрата S;

− концентрация продукта Р.

Все эти концентрации приведены к единице объема среды.

Понятие скорости роста

Прирост биомассы зависит от изменения размеров отдельных клеток и от увеличения числа клеток.

Абсолютная скорость роста (валовая) характеризуется прирос-

том биомассы за единицу времени

V = dm / dt.

Относительная скорость роста (удельная) – это абсолютная

скорость роста культуры отнесенная к единице исходной биомассы

M = V / m.

В идеальном случае рост микробной культуры идет с постоянной удельной скоростью. В этом случае через определенный промежуток

времени из каждой клетки образуется две других, через следующий

промежуток времени разделяется уже две клетки и вся биомасса увели-

чивается дважды в два раза

N1= 2 n N0,

Фазы периодической ферментации

Рассмотрим, как изменяется концентрация биомассы в процессе периодической ферментации (рис.25).

I —лаг-фаза; II — фаза ускорения роста; III — фаза экспоненци-

ального роста;IV — фаза замедления роста; V — стационарная фаза; VI — фаза отмирания.

В начале ферментации некоторое время микроорганизмы как бы приспосабливаются к новой среде, их концентрация не меняется. Этот период называется лаг-фаза. В этот период клетки не только адапти- руются к новым условиям, но и частично изменяют среду, делая ее пригодной для себя. Чем полноценнее субстрат, тем короче лаг-фаза. Далее начинается рост клеток — это фаза ускорения роста. Третья фаза — экспоненциального роста, это фаза наиболее интенсивного роста клеток, здесь происходит наибольший относительный прирост биомассы. Затем относительная скорость роста начинает уменьшаться

— это фаза замедления роста. Достигнув некоторой максимальной величины, концентрация биомассы далее перестает возрастать. В этой фазе — стационарной — в среде истощаются питательные вещества и накапливаются продукты обмена, тормозящие рост. Биомасса растет и одновременно происходит гибель части клеток (автолиз), так что об- щая концентрация клеток сохраняется постоянной. Наконец в фазе отмирания автолиз начинает преобладать над ростом, и концентрация биомассы микроорганизмов снижается.

В процессе роста культуры изменяется морфология клеток, их хи- мический состав и физиологическое состояние. Культура может неоп- ределенно долго задержаться на стадии интенсивного роста и высокой физиологической активности. Это определяется действием факторов

среды. Создавая соответствующие условия, можно остановить разви- тие культуры на любой точке кривой роста и таким образом заставить микроорганизмы «работать» с наибольшей интенсивностью.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник

Глава 2. Теория процесса ферментации

Глава 2. Практическая часть

Практическую часть решено провести на примере банана, так как его срез дает хорошие видимые изменения цвета – это окисление железосодержащих соединений. Для получения наиболее точных результатов нами соблюдались одинаковые температурные условия и использовались бананы одинаковой степени зрелости.

§ 2.1. Ферментация целых плодов банана

Для того, чтобы провести ферментацию целых плодов банана, плоды очистили от кожуры, выложили на сетчатые лотки и оставили для ферментации при температуре 25 градусов Цельсия при постоянном проточном движении воздуха (фото 1). Эти условия необходимо соблюдать, чтобы предотвратить закисание плодов и обеспечить равномерное прохождение ферментации.

§ 2.2. Ферментация порезанного банана

Другие образцы были очищены от кожуры, порезаны на кусочки толщиной 5 мм, уложены на сетчатые лотки при температуре 25 градусов Цельсия при постоянном проточном движении воздуха с целью предотвращения их закисания (фото 3).

Для получения готового продукта понадобилось 72 часа (3 суток). По окончании ферментации сделан сравнительный анализ с только что нарезанными кусочками. Высушенные плоды приобрели темно – коричневый цвет и уменьшились в размере. Мякоть потеряла влагу. Сухие плоды также имеют приятный тонкий аромат (фото 4).

2.3. Получение ферментированной пастилы

Для того, чтобы получить ферментированную пастилу, плоды банана очистили от кожуры и при помощи блендера превратили в пюре. Банановое пюре выложили на пластмассовые лотки для ферментации при температуре 25 градусов Цельсия при постоянном проточном движении воздуха с целью предотвращения закисания продукта (фото 5).

Через 3 часа после запуска процесса сделан сравнительный анализ со свежеприготовленной пастилой.

Готовность продукта отмечена через 50 часов. Пастила приобрела коричневый цвет, наличия влаги не наблюдается. С лотка снимается легко, липкости нет. Имеет нежный приятный аромат (фото 6).

2.4. Получение ферментированной комбинированной пастилы

С целью расширения рациона принято решение получить ферментированную пастилу в виде комбинированного продукта. Для этого плоды банана очистили от кожуры и решили добавить запеченный кабачок, листья мяты и мёд. Всё содержимое продуктов выложили на пластмассовый лоток и при температуре 25 градусов Цельсия оставили для ферментации (фото 7). Отмечен очень быстрый запуск ферментации, так как листья мяты, добавленные в пюре, содержат много железа (87,47 мг на 100г продукта) и поэтому имеют высокую степень ферментации. Через 2 часа от начала ферментации наблюдается значительное изменение цвета пюре (фото 8). Принимается решение остановить ферментацию в сушильной камере при температуре 45 градусов Цельсия.

Через 24 часа наблюдается достаточное просушивание пастилы, она имеет темно – коричневый цвет, хорошо высушена, имеет приятный аромат и легко снимается с лотка, имеет высокую пластичность (фото 9).

Использование сушильной камеры существенно сокращает время просушивания продукта, значительно ускоряет процесс приготовления пастилы. Такой прием даёт возможность быстро разнообразить рацион питания, получать удобную форму хранения в течение длительного времени в герметически закрываемых пластмассовых боксах (фото 10). Хранить пастилу можно при комнатной температуре, свернув высушенный лист в трубочку, и обмотав пищевой плёнкой.

Полученные результаты можно наглядно представить в виде таблице.

Источник