No module Published on Offcanvas position

10.4. Вспомогательное оборудование, использующееся в биотехнологических процессах

Основное внимание в предыдущей части этой главы было уде­лено вопросам, связанным с центральным звеном любого био­технологического процесса — биореактором. Однако, каким бы ни был процесс, это основное звено не может существовать изолированно. При получении высокоценных продуктов тонко­го химического синтеза в биореакторах периодического дейст­вия иногда удается осуществлять некоторые дополнительные процессы, например приготовление и стерилизация сред, кон­центрирование и экстрагирование продуктов, хотя и не обяза­тельно в оптимальных условиях. Несмотря на то, что концеп­ция использования одного и того же элемента технологической установки для осуществления нескольких процессов представ­ляет значительную ценность при получении некоторых продук­тов, в целом она изжила себя. Исключение составляют приго­товление и стерилизация сред. Все чаще, несмотря на возмож­ное увеличение капитальных затрат, для каждой стадии техно­логического процесса применяется специально созданное обо­рудование. Это облегчает осуществление процесса в целом и повышает его эффективность.

При получении продуктов валового синтеза биотехнологиче­скими методами из экономических соображений независимо от сырья или технологической схемы в промышленном масштабе обычно реализуют непрерывный процесс производства. Такие производства включают ряд последовательных или параллель­ных элементарных процессов, обеспечивающих надежное полу­чение продукта на протяжении 300—330 дней в году. Основная задача состоит в оптимальном использовании ресурсов. К сожа­лению, подобный путь параллельного проведения элементарных процессов обычно затрудняет управление производством в це­лом и поддержание больших скоростей потребления сырья и образования продукта. Перечислим стадии, обычно составляю­щие полный непрерывный биотехнологический процесс: 1) хра­нение сырья, его предварительная обработка и смешивание; 2) проверка степени загрязнения; 3) переработка сырья с целью получения продукта; 4) концентрирование продукта; 5) отделение продукта; 6) конечная обработка продукта; 7) хранение продукта. Если говорить о капитальных затратах и эксплуатационных расходах, то на долю ключевого этапа производства приходится не более 30—40% от общего их ко­личества. Отсюда сразу становится ясно, насколько значимы вспомогательные технологические этапы.

Разумеется, не все перечисленные выше стадии присущи ис­ключительно биотехнологическим процессам. Некоторые из них часто встречаются и в других технологиях. Однако есть опера­ции, характерные только для биотехнологии: это, например, стерилизация сред и воздуха. При осуществлении некоторых других операций (например, концентрирование, сушка и хране­ние) должны учитываться особенности биологических материа­лов.

  • 10.4.1. Стерилизация среды и воздуха

Обязательным условием осуществления многих биотехнологи­ческих процессов является работа в асептических условиях, поэтому решающее значение имеет стерилизация среды, а в случае аэробных процессов — и воздуха. Тем не менее для разработки и оптимизации эффективных методов стерилизации сред и воздуха было сделано удивительно мало. В случае био­технологических процессов жидкие среды стерилизуют исклю­чительно нагреванием до высоких температур, а воздух, как правило, лишь фильтрованием; мы обсудим только эти два ме­тода стерилизации.

Рациональное конструирование стерилизаторов культураль­ных сред основывается на данных о кинетике гибели микроор­ганизмов. Нагревание вызывает потерю их жизнеспособности, но не физическое разрушение. Скорость инактивации микроор­ганизмов при данной температуре описывается уравнением

285.jpg (109), 

где k зависящая от температуры константа скорости реак­ции, N число потенциально жизнеспособных микробных кле­ток, t время. Важно отметить, что в это уравнение входит число клеток или спор, а не их масса, фигурировавшая раньше в уравнениях роста. При стерилизации ключевую роль играет именно число клеток и спор как потенциальных центров ин­фекции.

Для вегетативных клеток кинетика гибели первого порядка [уравнение (109)] является хорошим приближением, хотя на нее может влиять и множество дополнительных факторов. Од­нако в случае спор наблюдаются отклонения от этого уравне­ния. И для вегетативных клеток, и для спор влияние темпера­туры на константу скорости реакции К, входящую в уравнение (109), описывается формулой Аррениуса:

286.jpg (110), где а — эмпирическая константа, E — энергия активации, R — газовая постоянная, T—абсолютная температура.

Преобразовав уравнение (109) и подставив в него выражение для k, получим

287.jpg (111)

или в интегральной форме, приняв, что N=N0 при /=0,

288.jpg (112).

Цель всех процессов стерилизации состоит в уменьшении числа выживших потенциально жизнеспособных клеток и спор до величины, меньшей единицы. Поэтому такие процессы лучше всего рассматривать с вероятностной точки зрения. Стерилизацию среды можно проводить как в периодическом, так и в непрерывном режимах. В периодическом режиме тепловая обработка среды обычно бывает излишне продолжительной, что  приводит к ухудшению качества среды. При непрерывном режиме эти недостатки можно устранить.
Цикл периодической стерилизации состоит из трех стадий: нагревание, выдерживание (обычно при 121 °C) и охлаждение. Инактивация клеток и спор происходит на всех трех стадиях;: поэтому, если время нагревания равно ti, время выдерживания — I2, время охлаждения — ⅛, а общая продолжительность- цикла — t, то

289.jpg (113)

где Ni и N2 — общее число выживших клеток и спор после нагревания и выдерживания соответственно.
При стерилизации в периодическом режиме стадии нагревания и охлаждения нередко бывают весьма продолжительными, а время выдерживания обычно составляет 0,3-0,5 ч при1 температуре 121 °C.


Существует два разных типа систем для стерилизации среды в непрерывном режиме: системы с прямой инжекцией пара, требующие сверхчистого пара, и системы с косвенным нагреванием с помощью теплообменников. Ясно, что системы обоих типов работают при повышенном давлении. Системы с прямой инжекцией включают инжектор пара, секцию для выдерживания, расширительный клапан и секцию для быстрого охлаждения. В установках с косвенным нагревом среда обычно подвергается предварительному нагреванию уже стерилизованной средой для возврата отработанного тепла. В систему входят также: безынжекционный теплообменник, в котором среда ме­нее чем за 1 мин нагревается до 135 °C; секция, в которой среду выдерживают 3—5 мин при 135'oC; секция для быстрого охлаждения, где стерилизованную среду сначала охлаждают вновь поступающей средой, а затем — охлаждающей водой. Можно применять плоские теплообменники либо змеевики, од­нако предпочтение часто отдается первым: у них легче очищать поверхности теплообмена, которые быстро загрязняются при стерилизации многих сред.

При проведении непрерывной стерилизации следует пом­нить, что в среде, протекающей через теплообменники, всегда существуют градиенты скорости, и режим полного вытеснения не достигается. Поэтому при оценке вероятности выживания клеток и спор необходимо учитывать зависимость распределе­ния времени пребывания среды в теплообменниках от режима потока в них.

Стерилизация среды имеет ключевое значение во многих биотехнологических процессах; не менее важна и стерилизация воздуха, используемого для аэрации. При этом из огромных  объемов воздуха, часто необходимых для осуществления аэроб­ных процессов, следует удалить микроорганизмы размером до 0,5 мкм. Хотя выделяющееся при сжатии воздуха тепло спо­собствует эффективному уничтожению содержащихся в нем микробов, воздух обычно необходимо также фильтровать через волокнистые спеченные или ацетилированные плоские фильтры из поливинилового спирта (ПВС). Удаление микроорганизмов с помощью воздушных фильтров (кроме фильтров из ПВС) происходит не благодаря малому размеру пор, а вследствие того, что воздух проходит через фильтр очень сложным путем, из-за чего увеличивается вероятность соударения увлекаемых им микроорганизмов с фильтром. В подобных системах часто происходит значительное падение давления. Материал, из ко­торого изготавливают фильтры и подводящие устройства, не должны разрушаться при стерилизации. Для обеспечения вы­сокой производительности фильтры следует держать сухими.

 

  • 10.4.2. Выделение продукта и завершающие операции


В биотехнологической промышленности применяют множество способов выделения конечного продукта и его завершающей обработки. Те же способы, за исключением предназначенных для разрушения клеток, широко используются и в других отраслях промышленности, поэтому здесь мы не будем рассматривать отдельные элементарные технологические приемы. Обсуждая применение этих методов в биотехнологических производствен¬ных процессах, всегда следует помнить два момента: во-первых, необходимо предотвратить денатурацию продукта, которая может происходить из-за недостаточного охлаждения в ходе процесса, химического или биологического загрязнения, а также из-за разного рода биологических воздействий, если продукт получен в нестабильном состоянии. Во-вторых, всегда нужно учитывать потенциальную взрывоопасность и опасность для здоровья пыли белковой природы, которая скапливается после высушивания биологических продуктов. Обе эти проблемы должны учитываться при разработке эффективной технологии.