Современные проблемы и методы биотехнологии

ГЛАВА 7 ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ

ВБИОТЕХНОЛОГИИ

7.1.Спецификареализации биотехнологическихпроцессов

Биотехнические системы представляют собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления. В результате интеграции биологии и технических наук конструирование оборудования для реализации биотехнологических процесссов стало специализированной областью биотехнологии, называемой

биоинженерия.

Аппаратурное оформление технологических процессов производства продуктов биотехнологии и прежде всего микробиологического синтеза весьма разнообразно и во многом специфично. Специфические требования к оборудованию биотехнологической промышленности связаны с санитарногигиеническими вопросами и предотвращением контаминации, что имеет решающее значение при проектировании. В этой связи одним из основных требований к оборудованию микробиологического производства является его герметичность. Применение герметичных аппаратов, особенно для стадии культивирования биологических объектов, является важным условием качественного проведения процесса и получения стандартного продукта с высоким выходом.

Большое значение имеет правильный выбор материала, из которого изготовлено оборудование, поскольку компоненты материала могут оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на биосинтез биологически активных веществ. Еще одним важным требованием к оборудованию для биотехнологии является необходимость обеспечения высокой производительности. Чем больше производительность аппарата, тем меньше требуется сложных автоматических приборов контроля и регулирования параметров процесса, запорной аппаратуры, трубопроводов и др. Оборудование должно быть рассчитано на проведение непрерывных процессов, поскольку это создает возможность интенсифицировать и автоматизировать биотехнологические процессы.

Важной особенностью биотехнологии является проведение основной технологической стадии (стадии ферментации) в водной среде, при постоянном перемешивании и вибрации, а также меняющихся параметрах (рН, температуры, ионной силы среды и др.). Эти обстоятельства предопределяют схожесть процессов приготовления питательных сред для микроорганизмов, проведения биосинтеза и выделения целевых продуктов и обуславливают создание универсальных установок, позволяющих осуществлять без серьез-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

ной переналадки большое количество процессов, производящих ценные продукты.

Биотехнологическая установка (ферментер, биореактор) состоит из стандартных модулей, реализующих типовые операции. Их конкурентоспособность по сравнению с установками, проектируемыми конкретно для заданного технологического процесса, определяется тем, что в них заранее заложена возможность быстрой замены технологий в широком диапазоне, в зависимости от меняющихся потребностей рынка. Это сокращает вынужденный простой установки и связанные с ним нерациональные накладные расходы. Использование модульного принципа в биоинженерии позволяет добиться высокой степени заводской готовности оборудования и снижает затраты на его изготовление и монтаж. Модульный принцип также предусматривает разработку и использование типовых алгоритмов и программ оптимального управления оборудованием, модулей с использованием микропроцессоров, а также пакета программ оптимального для управления выбранными технологическими процессами.

Использование возобновляемого сырья с одновременным производством ценных, например кормовых препаратов, существенно снижает себестоимость получаемого продукта, что также повышает конкурентоспособность модульных линий, а их малая мощность облегчает обеспечение ее экологической безопасности. Кроме того, предлагаемое сырье и процесс его подготовки предусматривают полную утилизацию твердых отходов, концентрирование и использование стоков, и возврат конденсата от их упаривания в технологический процесс. Модульные линии имеют определенные перспективы для выхода на международный рынок, поскольку есть достаточное количество средних и малых стран, испытывающих потребность в препаратах, но не имеющих достаточных средств для создания крупных предприятий. Однотипность модулей позволяет объединять их в сети, в которых отдельные функции линии могут быть сосредоточены в специализированных подразделениях.

Важнейшей задачей биотехнологического производства является получение максимального выхода целевого продукта. Для достижения этой цели процесс ферментации должен проходить в оптимальных условиях, которые создаются с помощью ферментационного оборудования и той инфраструктуры, которая обеспечивает его функционирование. В этой связи на первый план выдвигаются задачи, связанные с устранением заражения культуры посторонней микрофлорой и обеспечения качественного управления процессом культивирования.

Заражение культуры микроорганизмов или клеток посторонней микрофлорой приводит к прямым экономическим потерям, причем в ряде случаев очень значительным. Поэтому при выборе ферментационного оборудования в первую очередь обращают внимание на надежность обеспечения асептики процесса культивирования. Другое важное требование относится к процессу стерилизации питательной среды. Питательная среда не должна быть «перегрета» при тепловой стерилизации, что приводит к деструкции таких ее ком-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

понентов, как витамины и аминокислоты, а результатом этого становится замедление роста культуры и падение продуктивности. Стерилизация питательной среды должна проводиться в автоматическом режиме. Практика показывает, что ошибки оператора являются главной причиной отсутствия стерильности питательной среды. Процессы, протекающие при ферментации, требуют непрерывного управления.

Всевозрастающая потребность отраслей народного хозяйства в продуктах микробиологического синтеза обусловливает разработку новых принципов подхода и к проектированию технологических линий микробиологических производств. Особенностями такого подхода являются выяснение на этапе проектирования большого числа альтернативных вариантов технологических схем, возможных типов оборудования и формирование наиболее оптимальных из числа рассматриваемых схем. Очевидно, что разработка технологических линий в первую очередь должна осуществляться с учетом функ- ционально-целевого назначения системы, особенностей продукта производства и совокупности ограничений, налагаемых спецификой объекта на структуру и функции системы.

Создание новой технологии начинают с выбора аналитических методик. Затем полученные сведения суммируются в лабораторной методике получения продукта. Далее с использованием лабораторного оборудования изучается динамика процессов, определяется критерий оптимальности, подбираются оптимальные параметры всех технологических операций и даются рекомендации по использованию промышленного технологического оборудования, оцениваются объёмы отходов, стоков и выбросов, определяются их параметры, даются рекомендации по их использованию. На основе результатов этих исследований готовится нормативная документация на производство, патентуется способ производства.

Итогом работы является лабораторный технологический регламент, который может использоваться для подготовки исходных данных на проектирование либо опытно-промышленной установки, либо опытного производства. Если полученные в лаборатории данные не позволяют с достаточной степенью уверенности осуществить расчетным путем масштабирование для серийного производства, проводятся опытно-промышленные работы, для чего создается опытно-промышленная установка. На ней производится отработка технологического процесса с использованием образцов промышленного оборудования уменьшенных размеров, которые, однако, должны обеспечить сохранение достигнутых показателей при промышленном производстве. При этом нарабатываются опытные партии продукции и проводятся их промышленные испытания, организуется анализ рынка, определяются техникоэкономические показатели.

По результатам работы составляется опытно-промышленный регламент, который кладется в основу исходных данных на проектирование промышленного предприятия. Начиная с этого момента, можно говорить о наличии новой технологии. Обычно разработчики технологии не являются инвесторами. Передача технологии от разработчика к инвестору происходит на

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

коммерческой основе путем заключения лицензионного договора. Предварительно маркетинговая служба инвестора, изучая рынок и информацию о новых технологиях, готовит предложения о направлениях инвестиций, на основании которых инвестор принимает решение о строительстве нового предприятия.

Рис. 7.1. Система биотехнологического производства (схема Н.А. Войнова)

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение в России (фармацевтические продукты, ферменты и ферментные препараты, живые культуры микроорганизмов, дрожжи, препараты добывающих отраслей промышленности, сельского хозяйства и защиты окружающей среды), приводит к необходимости рассматривать общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании конкретного биотехнологического производства. В общем виде система производства продуктов биологического синтеза представлена на рис. 7.1.

Каждое конкретное микробиологическое производство имеет свои отличительные особенности практически на каждой стадии технологического процесса. Однако эти особенности не меняют общую технологическую схему микробиологического производства.

При осуществлении микробиологического синтеза можно выделить пять стадий производства. Это, прежде всего, стадии приготовления пита-

тельной среды и поддержания чистой культуры, которые могли бы посто-

янно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма продуцента – главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший неже-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

лательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами. Третья стадия – стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. Реализуется микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ.

При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции. Заключительная стадия произ-

водства – приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии.

7.2.Элементыконтроля

иуправлениявбиотехнологии

Управление современными процессами культивирования микроорганизмов основывается на значительном объеме информации о технологических процессах и требует выполнения большого числа воздействий для ведения процесса в соответствии с производственными требованиями. Локальные системы управления, комплектуемые с отдельным оборудованием, не полностью решают задачи автоматизированного управления процессами. Они, как правило, не реализуют логико-программное управление потоками. В этой связи созданы автоматизированные системы, которые комплексно управляют процессами. В этих системах совмещены информационные функции по контролю технологических параметров процессов и отображению состояния оборудования с управляющими функциями по автоматическому регулированию параметров, логико-программному управлению потоками и отдельными режимами процесса.

Автоматизированные системы управления обеспечивают первичную обработку поступающей с объекта информации, централизованный контроль параметров процесса, обнаружение и сигнализацию технологических и аварийных отклонений параметров, регистрацию важнейших параметров, автоматическое регулирование заданных параметров, логико-программное управление процессом в автоматическом или операторном режимах работы. При автоматизации процессов культивирования микроорганизмов используют приборы контроля и средства управления как общепромышленного, так и

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

отраслевого назначения. При этом к дозирующим устройствам, датчикам контроля, запорной и регулирующей арматуре предъявляют специальные требования. Они должны легко разбираться для ручной чистки и мойки и обеспечивать возможность их промывки моющими растворами циркуляционным способом, в них должны отсутствовать застойные и недоступные зоны. Детали, контактирующие с питательной и культуральной средами, изготавливаются из специальных материалов. Дозирующие устройства, датчики и арматура должны выдерживать тепловую обработку горячей водой при 95 оС, а в некоторых случаях – стерилизацию острым паром. Поверхности, контактирующие с культуральной средой, должны быть гладкими, без трещин, выбоин, в которых может развиваться нежелательная микрофлора. При монтаже датчиков на технологических объектах применяют асептические соединения, прокладки и сальники.

Для контроля параметров процесса используют специальные датчики (сенсоры), которые должны быть стерильными, если они помещаются в стерильные области. Измеряются следующие параметры: физические (температура, давление, потребляемая мощность, вязкость и поверхностное натяжение среды, скорости потоков, мутность, вес ферментера); химические (pH среды, концентрация растворенных газов, редокс-потенциал, концентрация субстратов, концентрация продуктов); биологические (RNA, DNA, NADH2, ATP, белок). Биологические параметры измеряют в отобранных пробах вне ферментера, за исключением NADH2, который можно измерять на биотехнологической линии флюрометрическим методом.

Контроль течения процесса осуществляют с помощью компьютера, использование которого особенно важно для ферментаций, в которых субстрат

исырье составляют главную стоимость. Другая необходимость применения компьютерного контроля заключается в возможности оптимизации процесса, которая позволяет получить максимальные продуктивность, выход продукта

иувеличить степень конверсии субстрата в продукт. Преимущество компьютерного контроля состоит также в быстром и эффективном управлении параметрами процесса, хранении и воспроизведении нужных данных, большей гибкости работы производства в соответствии со спросом на продукцию, наиболее надежный контроль загрязненности и безопасности на предприятии. Первичная информация, полученная от системы различных датчиков, с помощью компьютеров превращается в любую удобную стандартную систему единиц. Определяя весь необходимый набор параметров, характеризующих данный процесс, можно с помощью ЭВМ находить оптимальные их соотношения. Для получения четкой модели, описывающей динамику процесса, важно также знать процессы, происходящие внутри клеток.

Компьютерный контроль делят на два типа: прямой цифровой контроль

иаппаратурный. В первом случае компьютер получает данные с сенсоров и

использует эту информацию для образования сигнала, который посылается обратно в систему управления для эффективного регулирования параметров процесса. В случае аппаратурного контроля компьютер только устанавливает показания существующих аналоговых датчиков. ЭВМ определяет скорость

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

образования CO2, потребление газового субстрата, коэффициент дыхания, удельную скорость потребления субстратов, экономические коэффициенты, технологические балансы, потребление энергии на единицу объема жидкости и другие параметры. В частности, если количество биомассы непосредственно не определяется, то ее можно рассчитать из модели. Использование математической модели позволяет лучше понимать ферментационный процесс, рассчитать влияние отклонений от стандартных параметров, на результаты ферментации и оптимизировать процесс быстрее и с меньшими затратами, чем с помощью традиционных приемов.

Схема измерения параметров в ферментере при непрерывном процессе биосинтеза клеточной массы представлен на рис. 7.2. В комплекте ЭВМ – ферментер основными элементами являются: ферментер с набором датчиков, измерительных и исполнительных устройств; ЭВМ со своими периферийными устройствами; устройства связи с объектом, осуществляющие сопряжение ЭВМ и ферментера; математическое обеспечение, включающее операционные системы и программы пользователя.

Цели, преследуемые вводом ЭВМ в контур управления, можно сформулировать следующим образом: сделать производство более экономичным за счет оптимизации технологии; увеличить надежность функционирования производства; создать производство мобильным; иметь оперативный доступ к информации о ходе процесса; уменьшить объем трудоемких операций. На рис. 7.3 представлена структурная схема для реализации программы анализа информации датчиков, работающая как подпрограмма математического обеспечения. Эта подпрограмма позволяет пользователю контролировать работу ферментера, так как она представляет ему следующие данные: характеристики массообмена, величину скорости роста микроорганизмов, массу клеток, количество получаемого продукта, расход энергии, общую эффективность процесса ферментации. Все эти показатели вычисляются по данным, полученным от датчиков, и представляются в численном и графическом виде на дисплее.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

Рис. 7.2. Схема измерений основных параметров в ферментере (схема Н.А. Войнова)

Рис. 7.3. Структурная схема реализации программы (схема Н.А. Войнова)

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

Управление процессом является частью программы обработки информации, в которой формируется рабочая стратегия по ведению процесса. Можно выделить три основных типа управления процессом: регулирование, программное управление и оптимизация.

Для измерения рН используют систему со стеклянным измерительным электродом и электродом сравнения. ЭДС системы зависит от величины рН контролируемой среды. Под величиной рН понимают меру активности ионов водорода в растворе:

рН = −lg Ан,

где Ан – активность ионов водорода, г-ион/л.

В последние годы по результатам исследования свойств стекла разработаны электроды, с помощью которых можно измерять не только рН, но и концентрацию (активность) ионов натрия, калия, аммония и др. Созданы также электроды с чувствительным элементом из ионообменных смол для измерения концентрации ионов кальция, магния и других ионов, содержащихся в питательных и культуральных средах, при микробиологических исследованиях. Электродные системы для контроля концентрации ионов состоят из измерительного ионоселективного электрода и вспомогательного электрода сравнения. ЭДС электродной системы зависит от концентрации соответствующего иона в контролируемой среде. По аналогии с рН вводятся величины pNa, рК, рСа и др. В общем виде, обозначив ион символом X, имеем

pX = – lg Аx.

На рис. 7.4, а приведена конструкция датчика, используемого для измерения рН в процессах культивирования микроорганизмов. В датчике применен комбинированный электрод 3, выдерживающий стерилизацию паром до 130 °С. Диапазон измерения электродом рН от 2 до 12. Рабочая длина электрода в зависимости от модификации колеблется в пределах от 120 до 550 мм. Комбинированный электрод – это система, в которой измерительный стеклянный электрод и вспомогательный электрод сравнения помещены в одном корпусе. Электрод устанавливается в корпусе 2 на фторопластовой втулке 13.

Металлический и стеклянный цилиндры 5 и 12, втулка 7, гайка 6 создают герметизированную полость. В нее через узел 8 с манометром подается сжатый воздух, создающий в электроде сравнения избыточное давление. Коаксиальный кабель электрода герметизируется сальниковым уплотнением в виде прокладки 11, втулки 10 и гайки 9. С помощью накидной гайки 1 датчик крепится к установке. Внутренняя часть электрода залита 1 н. раствором НCl с добавлением глицерина и засыпана кристаллами AgCl. Содержание растворенного кислорода в культуральной жидкости в большей степени измеряют полярографическими анализаторами с твердыми электродами, в которых установлены селективно действующие по отношению к кислороду полимерные мембраны.