24 . Природные сырьевые материалы

Источником природного сырья являются сельское хозяйство и отрасли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы представляют собой соединения различной химической сложности и включают сахара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Наиболее подходящим и доступным, чтобы служить питательным субстратом для биотехнологических процессов, является сырье, используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный тростник. Существенную значимость представляют крахмалосодержащие сельскох. продукты, включающие различные злаки - рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока.Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного переваривания или гидролиза. Половину высушенной растительной массы как сельск-го, так и "лесного" происхождения составляет один из самых распространенных биополимеров – полисахарнд целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Распространенным источником углерода и энергии являются компоненты нефти и газа. Однако и нефть, и газ также истощаются. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья.

№25.Отходы производства как потенциальные субстраты для культивирования биолог-х объектов. Использ-ся отходы с/х , деревообрабатывающей и бумажной промыш-ти, а также многих отраслей пищевой промыш-ти. Возможность использов. Перечислен-х сырьевых материалов явл. основой создания безотходных производств. Например, на отходах микробиологич.производства этанола можно с успехом культив-ть кормовые дрожжи. Биотехнологич. утилизация этих отходов, обесп-т удаление источников загрязнения (напр-р сточных вод), а также, обусловит превращение этих отходов в полезные целевые продукты. Продукты отходов играют важ. роль в экономике и в состоянии окруж. среды(побоч. материалы пищевой промыш-ти оказыв. эконом-ки малозначащими и часто выбрасываются в магистральные водные системы, обусловливая мощное загрязнение внеш. среды). Меласса -побочный продукт, появл-ся при произв-ве сахара, широко исп-ся как питат. субстрат для ферментац-х процессов в произв-ве антибиотиков, органич. к-т и дрожжей для хлебопечения; в чистом виде исп-ся в качестве добавки в корма животным. Сыворотка, получ. при произ-ве сыра, м.быть использ-на в кач-ве питательного субстрата для ферментации. Более сложные продукты отхода( солома и жом (отход сахарного производства), по мере улучшения процессов расщепления лигноцеллюлозных соединений все больше находят прим. в биотехнолог. производствах. Наибольш. часть продуктов отхода сост-т отбросы животноводства (испражнения, моча), затем с/х отходы, отходы пищевой промыш-ти и отбросы домаш. хозяйства.

26. Устройство и основные конструкторские детали ферментеров и биореакторов. В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, или биореакторы. Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду (высота слоя составляет 80–150 мм), затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10–15 мм. Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения. Конструктивные различия ферментеров (биореакторов) определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды: ферментеры с подводом энергии к газовой фазе; ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе; с комбинированным подводом энергии.

27. Системы пеногашения, теплообмена, аэрирования и перемешивания, асептики и стерилизация, используемые в ферментерах.

Ферментёр - аппарат для глубинного выращивания микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, и постоянной температуры. Ф. представляет собой герметичный цилиндрический сосуд – корпус, снабженный барботером для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Объём Ф., предназначенных для лабораторных исследований, чаще до 30 л, для полузаводских экспериментов – 0,05–5 м3, промышленного использования – 50–100 м3. Лабораторные Ф. могут изготовляться из термостойкого стекла (их стерилизуют в автоклавах), Ф. больших размеров – из нержавеющей стали (они имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры). Ф., как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри Ф. В случае необходимости Ф. дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения. Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.Теплообмен является важной составной частью процессов, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется:

- резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры;

- необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня.Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей.

28. Типы и режимы ферментаций: периодические и непрерывные. Непрерывная ферментация – процесс, при котором клетки поддерживаются в экспоненциальной стадии роста или при котором клетки в экспоненциальной стадии роста непрерывно продуцируют вторичный продукт.

Периодическая ферментация – ферментационная система, работающая в режиме периодического культивирования.

29. Хемостаты и турбидостаты.

Хемостат - аппарат, используемый для выращивания бактерий; в нем автоматически регулируется удаление части культуры и поступление свежей питательной среды. Один из компонентов питательной среды в X. лимитируется, что обеспечивает постоянный экспоненциальный рост популяции и позволяет регулировать его скорость. Недостаток одного из питательных веществ приводит к замедленной скорости роста. Для устранения этого недостатка применяют аппараты (турбидистаты), в к-рых поступление свежей питательной среды автоматически регулируется фотонефелометрическим способом. Другой широко известный принцип управления процессом – турбидостат. В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры. Этим турбидостат отличается от хемостата, в котором фиксируется скорость разбавления, соответственно которой устанавливается концентрация биомассы. Хотя теоретически взаимосвязь между концентрацией биомассы и скоростью разбавления подчиняется одним и тем же закономерностям в хемостате и турбидостате, методы управления процессами различны. Турбидостат позволяет получать скорости роста; равные максимальной скорости, которые применяются при изучении культур, фиксированных в стадии экспоненциального роста.

30. Твёрдофазная ферментация. Преимущества твёрдофазных процессов по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе:

1) они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации;

2) характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;

3) низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;

4) твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод.

Различают три типа твердофазных процессов:

• Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3–7 см ("тонкий слой"). В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры. • Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое ("высокий слой"). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен. Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе).

Однако и здесь существуют свои проблемы. Вследствие отсутствия хорошего перемешивания продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату; при этом возникает локальная недостача питательных веществ, тогда как часть субстрата вообще не используется продуцентом; недостаточно эффективный контроль за аэрацией и др

32.Кривая роста популяции клеток, хар-ка отдельных фаз и получение целевых продуктов. Если рождаемость в популяции превышает смертность, то популяция будет расти, если, конечно, изменения в результате иммиграции и эмиграции незначительны. В новой и благоприятной среде условия для роста популяции оптимальны и наблюдается экспоненциальный рост. Кривая такого роста- это экспоненциальная, или логарифмическая кривая. Но, в конце концов достигается такая точка, когда по нескольким причинам, в том числе из-за уменьшения пищевых ресурсов и накопления токсичных отходов метаболизма экспоненциальный рост становится невозможным. Он начинает замедляться так, что кривая роста приобретает сигмоидную (S-образную) форму. Такой тип роста называют зависимым от плотности, так как скорость роста зависит от плотности популяции, которая влияет на истощение пищевых ресурсов и накопление токсичных продуктов, а потому на рост. С увеличением плотности скорость роста популяции постепенно снижается до нуля, а кривая выходит на плато. При нулевом росте популяция стабильна, т.е. размеры ее не меняются. Кривая другого типа получается, когда рост продолжается вплоть до внезапного падения плотности популяции в результате исчерпания ресурсов среды. Эту кривую называют "J-образной" или кривой типа "бум и крах". Такой рост не зависит от плотности, так как его регуляция не связана с плотностью популяции до самого момента катастрофы. Миграция или расселение, так же как и внезапное снижение скорости размножения может способствовать уменьшению численности популяции. Расселение может быть связано с определенной стадией жизненного цикла, например с образованием семян. Для обоих типов характерна экспоненциальная фаза в начале роста. Фазы:1-латентная, или лаг-фаза,где видимый рост не наблюдается ни по одному из критериев; 2.Экспоненциальная, рост с ускорением; 3.Линейная,где скорость роста постоянная; 4.Фаза замедленного роста; 5.Стационарная фаза; 6.Фаза деградации клеток.

На форму ростовых кривых влияют и генетическая характеристика популяции (вид растения), и количество инокулята, и условия выращивания (состав среды, начальное значение рН, газовой фазы, скорость перемешивания).