Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

недопустимо, так как это приводит к слипанию волокон и образо-

ванию каналов, и тогда эффекты, осаждения частиц На волокне не

проявляются. Кроме того, на увлажненных' волокнах фильтров

возможно размножение осевших микроорганизмов, что приводит

к дополнительному обсеменению воздуха:

Чтобы обеспечить выпадение влаги в каплёуловителе, воздух

"переохлаждают" до температуры 25-40°С в теплообменном аппа-

рате.

Затем, для обеспечения надежной работы фильтров 2-й и 3-й

ступеней, воздух нагревают до температуры 70—90°С. При таких

температурах исключается конденсация паров воды на волокнах

фильтра. С этой целью воздух после брызгоуловителя подогревают

в теплообменнике, при этом допускается частичное подмешивание

горячего воздуха после компрессора. Количество подмешиваемого

воздуха определяется условиями относительной влажности, кото-

рая не должна быть больше 40%.

Третья подсистема состоит из двух фильтров второй и третьей

ступеней очистки. Фильтр второй ступени, или головной фильтр

обычно расположен на территории завода рядом с цехом. На

головном фильтре очищают воздух для всех ферментаторов цеха.

Из головного фильтра воздух по коллектору подается в индивиду-

альные фильтры третьей ступени, установленные у каждого фер-

ментатора, независимо от его вместимости.

Конструкция индивидуального фильтра зависит от типа исполь-

зуемого фильтрующего материала. Для ткани Петрянова применя-

ют конструкцию, представленную на рис. 102а.

цилиндрический

корпус монтируют прямоугольный пакет, собранный из П-образ-

ных алюминиевых рамок, между которыми зажимается лента из

ткани Петрянова.

Для фильтрующего материала, уложенного в виде матов, ис-

пользуют конструкцию, представленную на рис. 102(6), а на рис.

102(B)

изображена конструкция, предназначенная для установки

фторопластовых фильтрующих элементов.

При эксплуатации фильтров необходима их стерилизация.

Наиболее эффективным методом является нагревание влажным

паром и выдержка в течение определенного времени при темпе-

ратуре 125—130°С. Применение более высокой температуры вы-

зывает деструкцию герметизирующих прокладок в фильтрах. По-

сле стерилизации фильтрующий материал высушивают горячим

воздухом.

325

Рис.

102. Конструкция фильтров с тканью Петрянова (а), аэрозольного фильтра

фланцевого типа (б): 1 — сетка для равномерного распределения воздуха, 2 —

крышка фильтра, 3 — корпус, 4 — паронитовая прокладка, 5 — решетка, 6 — слой

фильтрующего материала; фильтра с фторопластовыми фильтрующими элементами

(в):

1 — корпус, 2 — крышка, 3 — фторопластовые фильтрующие элементы.

В зарубежных системах очистки воздуха значительно повыше-

на надежность работы за счет установки дополнительной ступени

очистки и дублирования основного оборудования. Кроме того, для

крупных ферментаторов применяют автономные системы очистки

воздуха, что облегчает задачу поддержания термодинамического

режима, так как не требуется большой протяженности трубопро-

водов;

наконец, в фильтрах используют стандартные фильтрующие

элементы, изготовленные промышленным способом.

7.2.4. Очистка отработанного воздуха. В процессе фермента-

ции в качестве отхода производства образуется большое количе-

ство отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу. Уста-

новлено, что такой воздух на заводах антибиотиков содержит от 2

до 4 мг/м

веществ с неприятным запахом.

С отработанным воздухом выбрасывается в атмосферу несколь-

ко десятков органических соединений: амины, альдегиды, жирные

326

кислоты, кетоны, спирты, эфиры и т. д. Относительная влажность

воздуха, выходящего из ферментатора, приближается к 100%;

кроме того он включает культуральную жидкость в виде мелких

брызг, а содержание клеток продуцента зависит от вида его,

времени ферментации, и составляет от

• 10

до

• 10

клеток

в 1 м

В настоящее время применяют несколько принципиально раз-

личающихся методов очистки отработанного воздуха. Метод ката-

литического дожигания относится к разряду энергоемких. Суть его

состоит в том, что отработанный воздух прокачивают при темпе-

ратуре 320-350°С через комбинированный катализатор, состоящий

из слоя пиролюзита и слоя палладиевого катализатора. Степень

обезвреживания воздуха 87—98,5%.

Менее энергоемким является метод жидкофазного окисления

с применением в качестве окислителей перманганата калия или

гипохлорита натрия. Отработанный воздух по мере прохождения

скруббера орошается раствором натрия гипохлорита, 20% раство-

ром едкого натра, водой и выбрасывается в атмосферу. Орошаю-

щие растворы обращаются в замкнутом цикле. Смену отработан-

ных растворов проводят 1 раз в неделю. Эффективность очистки

90—95%.

Недостатком метода является то, что при его реализации

накапливаются в небольшом количестве сточные воды, которые

нужно утилизировать. Такие установки успешно работают, напри-

мер,

в Италии в производстве пенициллина, цефалоспорина С и

других антибиотиков.

Известен также метод с применением сетчатых фильтров (ФС);

конструкция ФС разработана во ВНИ проектно-конструкторском

институте прикладной биохимии. Фильтр состоит из цилиндриче-

ского корпуса с крышкой и днищем, внутри помещен фильтрую-

щий элемент, изготовленный из металлических сеток трикотажно-

го плетения с диаметром проволоки 0,28 мм из нержавеющей стали

(рис.

103).

Воздух, проходя через фильтр, освобождается от капелек куль-

туральной жидкости с микроорганизмами. Эффективность очист-

ки

99,6%.

Для повышения эффективности очистки на ряде заводов

осуществлена схема, состоящая из циклона и сетчатого фильтра

"Ц-ФС".

Эффективность этой системы составляет 99,97%.

327

&сэзЭух.

<&отЭух

Рис.

103. Схема сетчатого фильтра для очистки отработанного

воздуха: 1 — крышка, 2 — корпус, 3 — фильтрующий элемент.

7.3.

Тепловые процессы

ферментаторах. Интерес к проблемам

выделений тепла в процессе ферментации связан, прежде всего, с

необходимостью его отведения охлаждающей водой, а также с

возможностью использования интенсивности тепловыделения в

качестве индикатора метаболической деятельности продуцента.

Около 40—50% всего тепла, выделяющегося в процессе фермента-

ции, приходится на тепло, образующееся в результате жизнедея-

тельности продуцента и, прежде всего, за счет энергетического

обмена. Накопленные макроэргические структуры (преимущест-

венно — АТФ) расходуются в реакциях биосинтеза. Так, напри-

мер,

на образование одной эфирной связи в молекуле какого-

либо метаболита требуется 12570 Дж. При этом в реакции:

АТФ—>АДФ + 50280Дж из одной молекулы АТФ высвобождается

столько энергии, что большая часть ее (37710 Дж) превращается в

тепло. Это тепло выделяется неравномерно — с максимумом,

приходящимся на период максимальной интенсивности дыхания

и наивысшей скорости потребления углеводов в период активного

размножения клеток (рис. 104).

328

Рис.

104. Соотношение скорости

потребления углевода, интенсивно-

pj-17000 с™ дыхания и тепловыделения: 1 —

накопление антибиотика, 2 •— выде-

||вооо ление диоксида углерода, 3 — тепло

биосинтеза, 4 — потребление углево-

дов.

Тепло также образуется в результате работы мешалки, переме-

шивающей культуральную жидкость — "тепло перемешивания"

(С/перем-).

Оперем- = Nr*T<p«3600, (Дж), где N

(BT) — мощность, затрачи-

ваемая на перемешивание газожидкостной смеси,

т<р

(час) — время

ферментации.

Тепловой эффект перемешивания при одном и том же числе

оборотов мешалки будет тем выше, чем больше вязкость культу-

ральной жидкости. Поэтому в процессе ферментации, по мере

накопления биомассы, тепловой эффект перемешивания возраста-

ет, если не уменьшать интенсивность перемешивания, снижая

число оборотов мешалки.

Третий источник тепла

—

хорячий стерильный

воздух,

.подава-

емый в ферментатор для аэробных организмов; при барботаже он

мгновенно охлаждается культуральной жидкостью и отдает при-

внесенное тепло (Овозд-):

Овозд-

Увозд.

•

рвозд.

•

Свозд-

o3A-

Ц>),

где

Увозд., рвозд., Свозд., t

o3A- *— соответственно объем, плотность,

теплоемкость и температура подаваемого воздуха,

t<$>

— темпера-

тура, при которой проводят ферментацию.

Чаще всего воздух расходуют в процессе ферментации ступен-

чато,

с максимумом, приходящимся на период лагарифмическои

фазы размножения, например одноклеточных микроорганизмов;

к концу, ферментации расход воздуха снова снижают. Следова-

тельно, количество тепла, привносимое с воздухом, различно в

разные периоды ферментации.

В процессе ферментации происходит унос влаги из аппарата с

отработанным воздухом за счет испарения, а, следовательно, и

части тепла, затраченного на этот процесс (Оисп.):

329

Оисп. = твлаги. • г, где твлаги — масса испарений влаги,

г (Дж/кг) — удельная теплота парообразования.

По абсолютному значению Оисп. — величина небольшая,

поэтому ее колебания, пропорциональные количеству подаваемого

воздуха, не оказывают заметного влияния на общее количество

тепла, образующегося в процессе ферментации.

Как правило, тепловой режим

в процессе ферментации поддер-

живается на определенном уров-

не и строго контролируется. Все

образующееся тепло должно быть

отведено охлаждающей водой.

В общем виде тепловой ба-

ланс процесса ферментации мо-

жет быть представлен следую-

щим уравнением:

Ож + Qn+ Овозд. Оисп-

Оохл.,

где Оохл. — тепло, отводимое ох-

лаждающей водой, подаваемой в

теплообменные устройства;

Оохл- = ГПводы

Своды (t2—11), где

гдводы — масса охлаждающей во-

ды,

Своды — теплоемкость ох-

лаждающей воды, ti и t2 — тем-

пература воды соответственно на

входе и выходе из теплоотводя-

щих устройств.

Для поддержания теплового ре-

жима в ферментаторе в настоя-

щее время чаще всего используют

артезианскую воду 12—15°С или

смесь артезианской и оборотной

воды 15—16°С; отработанная вода,

выходящая из теплообменных ус-

тройств с температурой 18—20°С,

в этом случае поступает в линию

оборотной воды и может быть ис-

пользована в качестве охлаждаю-

щего агента в тепловых процессах

с высокими температурными ре-

жимами (рис. 105).

ззо

-ч

ШШШ&

Рис.

105. Теплотрубный теплооб-

менник Херсонского индустриального

университета: а — общий вид в сборке,

б — устройство тепловой трубы (1 —

подвод тепла, 2 — фитиль, 3 — жид-

кость, 4 — пар, 5 — отвод тепла, 6 —

зона испарения, 7 — адиабатическая

зона, 8 — зона конденсации).

Наиболее эффективно использование так называемой "захоло-

женной" воды (Ю°С), получаемой для цеха ферментации на спе-

; циальных установках.

теплоотводящих устройствах ферментато-

ра она нагревается до 15—16°С и по коллектору возвращается на

I станцию получения "захоложенной" воды.

| Таким образом, применительно к тепловым процессам, проис-

| ходящим в ферментаторе, можно сказать, что все они (тепловой

эффект жизнедеятельности, перемешивания, тепло, привносимое

воздухом, тепло испарения, теплопередача при охлаждении водой)

протекают одновременно с разной интенсивностью и динамично-

Л стью, отсюда понятны высокие требования к конструктивным

характеристикам теплообменных устройств.

7.4. Аппаратурное оформление процессов выделения и очист-

ки некоторых продуктов микробного синтеза. Культуральная

жидкость, образующаяся в процессе ферментации, представляет

собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся

клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотреблен-

ные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира,

пузырьки воздуха, как правило, мел. В свою очередь водная фаза

j культуральной жидкости (нативный раствор) включает большое

(

число органических и неорганических веществ, коллоидных фрак

ций белков, сухой остаток культуральной жидкости — до 17% и

' более; содержание биомассы в культуральной жидкости достигает

8—10%.

Концентрация целевого продукта чаще всего не превышает

1,5%, что составляет менее 10% сухого остатка.

зависимости от целевого назначения конечного продукта (для

j здравоохранения, технических целей, сельского хозяйства и т. д.)

реализуют различной степени сложности схемы производства, при

этом учитывают и место накопления целевого продукта — внут-

риклеточно или внеклеточно.

Если способы выделения целевых продуктов можно разделить

на несколько типовых групп (рис. 106), то очистка каждого из них

практически индивидуальна, поскольку зависит от физико-хими-

i ческих свойств конкретного вещества.

Примером наиболее простой схемы может служить производ-

ство биовита, базирующегося на использовании продуцента анти-

биотика хлортетрациклина. Кальциевый комплекс хлортетрацик-

лина осажадают из культуральной жидкости при рН выше 7,0.

Формирующийся при этом осадок увлекает с собой и клетки

продуцента. Так в осадке вместе с биомассой оказываются внекле-

точный антибиотик и внутриклеточный витамин

Bi2.

Осадок филь-

331

тр^ют, высушивают, размельчают, добавляют отруби в качестве

наполнителя и фасуют. Этот комплекс используют в качестве

Добавки к корму ддя скота.

Культуральная жидкость

Осажден!

Концентрирование

Фильтрация Сушка

Сушка

Концентрирование

или фильтрация

Нативяый раствор Биомасса

отходы производ-

ства)

Экстрак-

ция

Деэик-

теграпия

клеток

Предварительная

обработка

I р- Фильтрация

Биомасса [^

(отходы 1Ьр

произвол- Г

стяа) , 1

Нативпый

раствор

Экстракция [

Ионный об-

Фракционирование {Осаждение

Рис.

106. Возможные способы выделения целевого продукта.

Если целевым продуктом является биомасса клеток, например,

кормовые или пекарские дрожжи, необходимо их концентрирова-

ние (сгущение). При этом широко применяют флотацию, с по-

. мощью которой увеличивают концентрацию дрожжей в 4—6 раз.

Основной движущей силой флотации являются всплывающие

пузырьки газа, которые захватывают клетки и выносят их на

поверхность. В результате над слоем отработанной культуральной

жидкости образуется пенный слой, в котором сконцентрированы

дрожжи. Процесс проводят в специально предназначенных для

этой цели „емкостных аппаратах — флотаторах, в которые нагне-

тают воздух и, в зависимости от их конструкции, диспергируют

его через барботер или эжектор, пену гасят в специальной части

аппарата с помощью пеногасителя и выводят сконцентрированную

суспензию дрожжей.

Для последующего концентрирования дрожжей широко приме-

няют сепарирование, например, с помощью сепаратора—сгусти-

теля, непрерывного действия тарельчатого типа СОС-501 К-3. Для

сгущения суспензии дрожжей от 20—30 г/л до 550—600 г/л

необходимо последовательное сепарирование в 2—3 ступени.

Методы извлечения целевых продуктов из клеток зависят от

свойств изолируемых веществ. Полиеновые антибиотики, напри-

мер;

экстрагируют органическими растворителями из нативных

клеток, тогда как эндоферменты получают из разрушенных (дез-

332

интегрированных) клеток. На рис. 107 представлена схема процес-

са выделения L-аспарагиназы. Клетки отделяют на дисковой цен-

трифуге (позиция 4), позволяющей концентрировать от 6 г/л до

120 г/л по массе сухих веществ. Разрушение клеток проводят в.

гомогенизаторе (позиция 5) при двукратном пропускании высво-

бождается до 97% фермента. От остатков клеток освобождаются

после добавления этанола (позиция 9) до 30% концентрации с

последующей фильтрацией на ротационном фильтре (позиции 10).

Затем фермент осаждают метанолом при его концентрации в.

маточнике 50% (позиция 11), фильтруют (позиция 12),-растворяют

в воде и переосаждают (позиция 13) при концентрации метанола

60%.

Осадок центрифугируют (позиция 12), снова растворяют в

воде (позиция

Д4)

и концентрируют ультрафильтрацией (позиция

16),

затем выделяют с помощью-сефадекса ДЕАЕ-А50 (позиция 19),

осаж'адют этанолом

(0,6

объема) прирН 5,0 (позиция

27)

и собирают

в корзинчатой центрифуге (позиция 28). Осадок еще раз раство-

ряют.в воде (позиция 29), стерилизуют фильтрацией через мемб-

рану (позиция 30), разливают (позиция 32) и подвергают сублима-

ционной сушке (позиция 34).

П^

ьр-"

шЩ

и^у

Рис.

107.

Схема процесса выделения L-аспарагиназы:

1,5,17

— промежуточные емкости,

6,15, 18, 26

—-

насосы, 3 — теплообменник, 4 — дисковая центрифуга, 7 — аппарат для

получения суспензии микробных клеток, 8 — гомогенизатор, 9 — аппарат для спиртового

осаждения остатков клеток

белка,

10—

ротационный фильтр,

— аппарат для осаждения

фермента метанолом, 12 — центрифуга, 13 — аппарат для переосаждения фермента, 14

— аппарат для растворения фермента,

— аппарат для ультрафильтрации, 19 — колонка

с сефадексом, 20, 21 — емкости для буферных растворов, 22, 23 —

насосы,

для подачи

буферных растворов, 24, 25 — емкости для сбора фракций, 31 — аппарат для осаждения

фермента, 28 — центрифуга, 29 — аппарат для переосаждения, 30 — стерилизующая

мембрана, 31 — осадитель, 32 - кювета, 33 - фасовочное устройство, 34 — сублимационная

сушилка.

333

Выделение большей части продуктов микробного синтеза из

культуральной жидкости начинают при их содержании около 1,5%.

Чтобы иметь возможность выделить вещество, используя осажде-

ние,

кристаллизацию или высушивание, необходимо оперировать

с растворами, содержащими 15—20% целевого продукта. Вот по-

чему приходится применять разномасштабное оборудование по

ходу процесса: вначале необходимы емкости в несколько десятков

, высокопроизводительное оборудование непрерывного или по-

лунепрерывного действия, а завершают процесс небольшими ап-

паратами вместимостью порядка нескольких сотен и даже десятков

литров с периодической загрузкой и выгрузкой, или лабораторное

оборудование.

Технологические показатели фильтрации культуральных жид-

костей определяются свойствами их как дисперсных систем. Клет-

ки микробов-продуцентов, например, грибов чаще всего образуют

микроколонии различной плотности размером 16—600 мкм. Филь-

трационные свойства жидкости обусловлены размерами отдель-

ных гиф, типом микроколоний, характером роста мицелия. Эти

факторы зависят от вида и штамма биообъекта, условий его

культивирования.

Пенициллы и аспергиллы образуют легко фильтруемую био-

массу, поэтому для получения нативного раствора в этом случае

применяют барабанные вакуум-фильтры

—

аппарат непрерывного

действия с фильтрующим основанием, расположенным на наруж-

ной цилиндрической поверхности горизонтального вращающегося

барабана, частично погруженного в суспензию.

Культуральные жидкости после ферментации проактиномице-

тов представляют собой густые суспензии с относительной вязко-

стью 50—1000 и с высоким содержанием твердой фазы. Они

практически не расслаиваются при стоянии. Характерной особен-

ностью и других бактериальных суспензий является изменчивость

их фильтрационных свойств как во времени, так и от одной

операции до другой.

Необходимо также отметить, что образуемые осадки заметно

сжимаемы (показатель сжимаемости 0,9), значит процесс фильт-

рации не может быть интенсифицирован повышением разности

давления из-за соответственно возрастающего удельного сопро-

тивления осадка. Такие суспензии без предварительной обработки

культуральной жидкости отфильтровать практически невозможно.

Предварительную обработку культуральной жидкости проводят с

целью максимального перевода конечного продукта в ту фазу, из

334