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,
где n — число генераций (делений клетки);
N1– число клеток в определенный момент времени; N0 — число клеток в начальный момент времени.
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.
Рисунок 25 — Определение фаз ферментации по кривой роста биомассы во времени
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.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Источник
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 угилизация определенных компонентов исходной среды; к таким процессам относятся биоокясление, метановое брожение, биокомпостирование и биодегралация.
Исходную среду в процессах ферментации или ее основной компонент часто обозначают словом субстрат.
По основной- фазе, в которой протекает процесс ферментации, различаются:
1) поверхностная (твердофазная) ферментация (культивирование на агаровых средах, на зерне, производство сыра и колбас, биокомпостирование и др.);
2) глубинная (жидкофазная) ферментация, где бтiомасса 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 взвешеньт 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 аэробнуто, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию по аналогии с классификапией самих микрооргаiизмов.
По отношению к свету — световая (фототрофная) и темновая (хемотрофная) ферментация.
По степени защищенности от посторонней микрофлоры — асептическая, условно асептическая и неасептическая ферментация. Иногда асептическую ферментацию называют стерильной, что не- верно: в среде есть целевые микроорганизмы, но нет чужеродньтх.
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 культивировацие, в котором осуществляется совместное развитие ассоциации двух или более культур.
По способу организации — процессы ферментации могут быть:
периодические;
непрерывные;
многопиклические;
отьемно-доливные;
периодические с подпиткой субстрата;
полунепрерывные с подпиткой субстрата.
Все эти виды ферментации (по способу их организации) легко идентифицировать но 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 ферментапионная жидкость выгружается из аппарата.
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 посевньтм материалом для следующей ферментации (цикла), и только после этого добавляется свежая питательная среда. Такая организация процесса позволяет обойтись без специальной стадии приготовления посевного материала.
В отьемно-доливных процессах ферментация в промежугках между загрузкой и разгрузкой аппарата протекает как периодическая, но после некоторого времени, определяемого по состоянию
процесса, часть ферментативной ной среды вьггружают и заменяю свежей средой.
В сравнении с многоциклическим процессом здесь меньше отбираемая часть жидкости,
но зато и интервалы между отборам меньше и число отбор гораздо больше. Процесс
при таких частых отборах и добавления 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 ферментаии, 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 оггьемно-доливных и подпиточньгх. В рассмотренном процессе с подпиткой после достижения определенного состояния происходит отбор части ферментационной жидкости из аппарата, а затем постепенное 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.
Следует отметить, что во всех случаях здесь имеется в виду основной материальный поток жидкости. Воздух, например, для аэробной ферментации добавляется непрерывно даже и в периодических процессах, то же часто бывает при добавлении щелочи для регулирования величины рН или жидкого пеногасителя.
Источник
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:
- предферментационная,
- ферментационная
- постферментационная
Принципиальная схема указана на рисунке. В ней сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов. [2] (фото)
Предферментационная стадия
На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята). Инокулятом называется микроорганизм или биомасса, которая будет производить целевой продукт; иными словами, это «посевной материал», который будет основным участником производства. В производстве биопрепаратов обычно используются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений). Продуцент, его физиолого-биохимические свойства и характеристики определяют эффективность всего биологического процесса. [2]
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:
- стабильности структурно-морфологических признаков, физиологической активности и эксплуатации в производстве;
- повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(-ов);
- достаточно широкому диапазону устойчивости к неблагоприятным внешним факторам (колебаниям температуры, перемешиванию, рН, вязкости среды); умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания; чем более широкий набор источников азота, углерода и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче и с большей выгодой его культивируют.
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
Получение готовой товарной продукции, а также обезвреживание отходов побочных продуктов обеспечивает постферментационная стадия. Культуральная жидкость, которая образуется в процессе ферментации — это сложная многофазная система: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха, не потребленные компоненты питательной среды. Концентрация целевого продукта обычно составляет в ней не более 1,5%, то есть 10% сухого остатка и меньше. [2]
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]
- ФГ с подводом энергии газовой фазой. Аппараты характеризуютсяконструктивным оформлением и высокой надежностью в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей. Тип ферментатора: барботажный, барботажно-эрлифтный, колоночный (колонный), форсуночный. [2]
- ФЖ с подводом энергии жидкой фазой. В аппаратах энергия передается жидкой фазе самовсасывающейся мешалкой или насосом. Тип аппарата: эжекционный, с циркуляционным контуром, с всасывающей мешалкой. [2]
- ФЖГ (комбинированные), где основным элементом является перемешивающее устройство, которое обеспечивает высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа. В то же время, энергия газовой фазы выводится обычным способом. Тип аппарата: барботажный с механическим перемешиванием. [2]
Источник
