2.5 Преимущества биотехнологических процессов

По сравнению с химической технологией, биотехнология имеет следующие основные преимущества:

1) возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;

2) проведение биотехнологических процессов при относи-

тельно невысоких температурах и давлениях;

3) микроорганизмы имеют значительно более высокие ско- рости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. На- пример, с помощью микроорганизмов в ферментаторе объемом 300 м³

за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же коли-

чество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30 000 голов. Если же использовать для получения белка с такой же скоростью производства бобовые растения, например горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 га;

4) в качестве сырья в процессах биотехнологии можно ис-

пользовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

5) биотехнологические процессы по сравнению с химиче- скими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;

6) как правило, технология и аппаратура в биотехнологиче-

ских производствах более просты и дешевы.

3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств

Продукты биотехнологии получают по индивидуальным техноло- гиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства и их технологическими режимами. Тем не менее, можно представить себе обобщенную типовую схему биотехнологических производств.

50

Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье пре- терпевает определенные технологические воздействия и последова- тельно превращается во все более сложные полупродукты и, наконец,

в конечный продукт. Общий вид такой типовой схемы представлен на рисунке 16.

газ

Подготовительные

стадии

Биотехнологические

стадии

Разделение жидкости и

биомассы

Приготовление

среды

Стерилизация среды

Подготовка и стерилизация газов

(воздуха)

Подготовка посевного материала Приготовление биокатализатора Предварительная обработка сырья

Ферментация

Биотрансформация Биокатализ (реакции с ферментами) Бноокисление Местановое брожение Биокомпостирование Биосорбция Бактериальное выщелачивание Биодеградация

Отстаивание

Фильтрация Сепарация Центрифугирование Микрофильтрация Ультрафильтрация Коагуляция Флотация Биодеградация

Выделение внеклеточных продуктов

Очистка

воздуха

Выделение внутриклеточных продуктов

Экстракция и экстрагирование Осаждение

Центрифугирование Адсорбция

Ионный обмен Отгонка, ректификация

Дезинтеграция Гидролиз

Ферментолиз Ультрафильтрация

Экстракция Осаждение Адсорбция Ионный обмен Хроматография Диализ

Ультрафильтрация

Концентрирование продукта

Выпаривание Сушка Осаждение Кристаллизация Фильтрация

Ультрафильтрация

Нанофильтрация

Изготовление готовой формы продукта

Гранулирование Дражирование Таблетирование Розлив

Фасовка

Ампулированне

Обратный осмос Ферментолиз Кристаллизация Ректификация

Рисунок 16 - Типовая схема, основные стадии и технологиче-

ские процессы в биотехнологических производствах

51

Основная стадия биотехнологического производства. Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологического агента (микроорганиз- мов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) про- исходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является по-

лучение определенного органического вещества.

Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее.

Ферментация — процесс, осуществляемый с помощью культи-

вирования микроорганизмов.

Биотрансформация — процесс изменения химической структу- ры вещества под действием ферментативной активности клеток мик- роорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обычно не происходит накопления клеток микроорганизмов, а химическая струк- тура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основ- ном готово, биотрансформация осуществляет его химическую моди- фикацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, де- гидрирует и т. п.

Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие

с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных усло- виях.

Метановое брожение — переработка органических отходов с

помощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных условиях.

Биокомпостирование — снижение содержания вредных органи- ческих веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, ко- торым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения

доступа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция — сорбция вредных примесей из газов или жидко- стей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твер- дых носителях.

Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нераство- римых в воде соединений металлов в растворенное состояние под дей- ствием специальных микроорганизмов.

Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздей-

ствием микроорганизмов – биодеструкторов.

52

Обычно биотехнологическая стадия имеет в качестве выходных потоков один жидкостной поток и один газовый, иногда только один

— жидкостной.

В случае если процесс протекает в твердой фазе (например, со- зревание сыра или биокомпостирование отходов) выходом является поток переработанного твердого продукта.