Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 341

Биотехнические системы представляют собой совокупность биологи-

ческих и технических элементов, связанных между собой в едином контуре

управления. В результате интеграции биологии и технических наук конст-

руирование оборудования для реализации биотехнологических процесс-

сов 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 санитарно-

гигиеническими 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 каче-

ственного проведения процесса и получения стандартного продукта с высо-

ким выходом.

Большое значение имеет правильный выбор материала, из которого из-

готовлено 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 производи-

тельности. 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 соз-

дает возможность интенсифицировать и автоматизировать биотехнологиче-

ские процессы.

Важной особенностью биотехнологии является проведение основной

технологической стадии (стадии ферментации) в водной среде, при постоян-

ном перемешивании и вибрации, а также меняющихся параметрах (рН, тем-

пературы, 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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 342

ной переналадки большое количество процессов, производящих ценные

продукты.

Биотехнологическая установка (ферментер, биореактор) состоит из

стандартных модулей, реализующих типовые операции. Их конкурентоспо-

собность по сравнению с установками, проектируемыми конкретно для за-

данного технологического процесса, определяется тем, что в них заранее за-

ложена возможность быстрой замены технологий в широком диапазоне, в за-

висимости от меняющихся потребностей рынка. Это сокращает вынужден-

ный простой установки и связанные с ним нерациональные накладные рас-

ходы. Использование модульного принципа в биоинженерии позволяет до-

биться высокой степени заводской готовности оборудования и снижает за-

траты на его изготовление и монтаж. Модульный принцип также предусмат-

ривает разработку и использование типовых алгоритмов и программ опти-

мального управления оборудованием, модулей с использованием микропро-

цессоров, а также пакета программ оптимального для управления выбранны-

ми технологическими процессами.

Использование возобновляемого сырья с одновременным производст-

вом ценных, например кормовых препаратов, существенно снижает себе-

стоимость получаемого продукта, что также повышает конкурентоспособ-

ность модульных линий, а их малая мощность облегчает обеспечение ее эко-

логической безопасности. Кроме того, предлагаемое сырье и процесс его

подготовки предусматривают полную утилизацию твердых отходов, концен-

трирование и использование стоков, и возврат конденсата от их упаривания в

технологический процесс. Модульные линии имеют определенные перспек-

тивы для выхода на международный рынок, поскольку есть достаточное ко-

личество 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 подразде-

лениях.

Важнейшей задачей биотехнологического производства является полу-

чение максимального выхода целевого продукта. Для достижения этой цели

процесс ферментации должен проходить в оптимальных условиях, которые

создаются с помощью ферментационного оборудования и той инфраструкту-

ры, которая обеспечивает его функционирование. В этой связи на первый

план выдвигаются задачи, связанные с устранением заражения культуры по-

сторонней микрофлорой и обеспечения качественного управления процессом

культивирования.

Заражение культуры микроорганизмов или клеток посторонней микро-

флорой 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 «пере-

грета» при тепловой стерилизации, что приводит к деструкции таких ее ком-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 343

понентов, как витамины и аминокислоты, а результатом этого становится за-

медление роста культуры и падение продуктивности. Стерилизация пита-

тельной среды должна проводиться в автоматическом режиме. Практика по-

казывает, что ошибки оператора являются главной причиной отсутствия сте-

рильности питательной среды. Процессы, протекающие при ферментации,

требуют непрерывного управления.

Всевозрастающая потребность отраслей народного хозяйства в продук-

тах микробиологического синтеза обусловливает разработку новых принци-

пов подхода и к проектированию технологических линий микробиологиче-

ских производств. Особенностями такого подхода являются выяснение на

этапе проектирования большого числа альтернативных вариантов технологи-

ческих схем, возможных типов оборудования и формирование наиболее оп-

тимальных из числа рассматриваемых схем. Очевидно, что разработка техно-

логических линий в первую очередь должна осуществляться с учетом функ-

ционально-целевого назначения системы, особенностей продукта производ-

ства и совокупности ограничений, налагаемых спецификой объекта на струк-

туру и функции системы.

Создание новой технологии начинают с выбора аналитических мето-

дик. Затем полученные сведения суммируются в лабораторной методике по-

лучения продукта. Далее с использованием лабораторного оборудования

изучается динамика процессов, определяется критерий оптимальности, под-

бираются оптимальные параметры всех технологических операций и даются

рекомендации по использованию промышленного технологического обору-

дования, оцениваются объёмы отходов, стоков и выбросов, определяются их

параметры, даются рекомендации по их использованию. На основе результа-

тов этих исследований готовится нормативная документация на производст-

во, патентуется способ производства.

Итогом работы является лабораторный технологический регламент, ко-

торый может использоваться для подготовки исходных данных на проекти-

рование либо опытно-промышленной установки, либо опытного производст-

ва. Если полученные в лаборатории данные не позволяют с достаточной сте-

пенью уверенности осуществить расчетным путем масштабирование для се-

рийного производства, проводятся опытно-промышленные работы, для чего

создается опытно-промышленная установка. На ней производится отработка

технологического процесса с использованием образцов промышленного обо-

рудования уменьшенных размеров, которые, однако, должны обеспечить со-

хранение достигнутых показателей при промышленном производстве. При

этом нарабатываются опытные партии продукции и проводятся их промыш-

ленные испытания, организуется анализ рынка, определяются технико-

экономические показатели.

По результатам работы составляется опытно-промышленный регла-

мент, который кладется в основу исходных данных на проектирование про-

мышленного предприятия. Начиная с этого момента, можно говорить о нали-

чии новой технологии. Обычно разработчики технологии не являются инве-

сторами. Передача технологии от разработчика к инвестору происходит на

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 344

коммерческой основе путем заключения лицензионного договора. Предвари-

тельно 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 про-

мышленное применение в России (фармацевтические продукты, ферменты

и ферментные препараты, живые культуры микроорганизмов, дрожжи, пре-

параты 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 от-

личительные 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 микробиоло-

гического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший неже-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.1. Специфика реализации биотехнологических процессов

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 345

лательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого

продукта с заданными свойствами. Третья стадия – стадия ферментации, на

которой происходит образование целевого продукта. Реализуется микробио-

логическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомас-

су, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. На четвертом этапе из

культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для про-

мышленных микробиологических процессов характерно, как правило, обра-

зование 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, лег-

ко подвергающихся термической деструкции. Заключительная стадия произ-

водства – приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством

большинства продуктов микробиологического синтеза является их недоста-

точная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в та-

ком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микро-

флоры. Это заставляет принимать специальные меры для повышения сохран-

ности препаратов промышленной биотехнологии.

Управление современными процессами культивирования микроорга-

низмов основывается на значительном объеме информации о технологиче-

ских процессах и требует выполнения большого числа воздействий для веде-

ния процесса в соответствии с производственными требованиями. Локальные

системы управления, комплектуемые с отдельным оборудованием, не полно-

стью 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 кон-

тролю технологических параметров процессов и отображению состояния

оборудования с управляющими функциями по автоматическому регулирова-

нию 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 ава-

рийных отклонений параметров, регистрацию важнейших параметров, авто-

матическое регулирование заданных параметров, логико-программное

управление процессом в автоматическом или операторном режимах работы.

При автоматизации процессов культивирования микроорганизмов использу-

ют приборы контроля и средства управления как общепромышленного, так и

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 346

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 циркуляци-

онным способом, в них должны отсутствовать застойные и недоступные зо-

ны. Детали, контактирующие с питательной и культуральной средами, изго-

тавливаются из специальных материалов. Дозирующие устройства, датчики и

арматура должны выдерживать тепловую обработку горячей водой при 95

С,

а в некоторых случаях – стерилизацию острым паром. Поверхности, контак-

тирующие с культуральной средой, должны быть гладкими, без трещин, вы-

боин, в которых может развиваться нежелательная микрофлора. При монта-

же датчиков на технологических объектах применяют асептические соедине-

ния, прокладки и сальники.

Для контроля параметров процесса используют специальные датчики

(сенсоры), которые должны быть стерильными, если они помещаются в сте-

рильные области. Измеряются следующие параметры: физические (температу-

ра, давление, потребляемая мощность, вязкость и поверхностное натяжение

среды, скорости потоков, мутность, вес ферментера); химические (pH среды,

концентрация растворенных газов, редокс-потенциал, концентрация субстра-

тов, концентрация продуктов); биологические (RNA, DNA, NADH

, ATP, бе-

лок). Биологические параметры измеряют в отобранных пробах вне фермен-

тера, за исключением NADH

, который можно измерять на биотехнологиче-

ской линии флюрометрическим методом.

Контроль течения процесса осуществляют с помощью компьютера, ис-

пользование которого особенно важно для ферментаций, в которых субстрат

и сырье составляют главную стоимость. Другая необходимость применения

компьютерного контроля заключается в возможности оптимизации процесса,

которая позволяет получить максимальные продуктивность, выход продукта

и увеличить степень конверсии субстрата в продукт. Преимущество компью-

терного контроля состоит также в быстром и эффективном управлении пара-

метрами процесса, хранении и воспроизведении нужных данных, большей

гибкости работы производства в соответствии со спросом на продукцию,

наиболее надежный контроль загрязненности и безопасности на предпри-

ятии. Первичная информация, полученная от системы различных датчиков, с

помощью компьютеров превращается в любую удобную стандартную систе-

му единиц. Определяя весь необходимый набор параметров, характеризую-

щих данный процесс, можно с помощью ЭВМ находить оптимальные их со-

отношения. Для получения четкой модели, описывающей динамику процес-

са, важно также знать процессы, происходящие внутри клеток.

Компьютерный контроль делят на два типа: прямой цифровой контроль

и аппаратурный. 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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 347

образования CO

, 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 непосредст-

венно не определяется, то ее можно рассчитать из модели. Использование

математической модели позволяет лучше понимать ферментационный про-

цесс, рассчитать влияние отклонений от стандартных параметров, на резуль-

таты ферментации и оптимизировать процесс быстрее и с меньшими затра-

тами, 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 периферийны-

ми устройствами; устройства связи с объектом, осуществляющие сопряжение

ЭВМ и ферментера; математическое обеспечение, включающее операцион-

ные системы и программы пользователя.

Цели, преследуемые вводом ЭВМ в контур управления, можно сфор-

мулировать 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 ана-

лиза информации датчиков, работающая как подпрограмма математического

обеспечения. Эта подпрограмма позволяет пользователю контролировать ра-

боту ферментера, так как она представляет ему следующие данные: характе-

ристики массообмена, величину скорости роста микроорганизмов, массу кле-

ток, количество получаемого продукта, расход энергии, общую эффектив-

ность 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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 348

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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 349

Управление процессом является частью программы обработки инфор-

мации, 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 А

где А

– активность ионов водорода, г-ион/л.

В последние годы по результатам исследования свойств стекла разра-

ботаны 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, содержа-

щихся в питательных и культуральных средах, при микробиологических ис-

следованиях. Электродные системы для контроля концентрации ионов состо-

ят из измерительного ионоселективного электрода и вспомогательного элек-

трода сравнения. ЭДС электродной системы зависит от концентрации соот-

ветствующего иона в контролируемой среде. По аналогии с рН вводятся ве-

личины pNa, рК, рСа и др. В общем виде, обозначив ион символом X, имеем

pX = – lg А

На рис. 7.4, а

приведена конструкция датчика, используемого для из-

мерения рН в процессах культивирования микроорганизмов. В датчике при-

менен 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 измеритель-

ный 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 соз-

дают герметизированную полость. В нее через узел 8 с манометром подается

сжатый воздух, создающий в электроде сравнения избыточное давление. Ко-

аксиальный 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 раство-

ренного кислорода в культуральной жидкости в большей степени измеряют

полярографическими анализаторами с твердыми электродами, в которых ус-

тановлены селективно действующие по отношению к кислороду полимерные

мембраны.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 350

Если в измеряемом растворе есть кислород, он диффундирует через

разделительную полимерную мембрану к измерительному электроду (като-

ду), где восстанавливается до гидроксила (в щелочном растворе) или воды

(в кислом растворе). На вспомогательном электроде ячейки происходит элек-

трохимическое окисление металла с отдачей электронов во внешнюю цепь.

В результате ток, возникающий в цепи электродов электрохимической ячей-

ки, будет пропорционален количеству кислорода, диффундирующего к изме-

рительному электроду в единицу времени.

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 0

1 1

1 2

1 3

1 0

1 1

1 2

1 3

Рис. 7.4. Конструкции датчиков для измерения pH со стерелизуемым электродом (а)

и электрохимической ячейки с внешним источником (б) (рис. Н.А. Войнова)

Применяемые электрохимические ячейки могут быть с внутренним ис-

точником поляризационного напряжения (гальванические) и с внешним.

В электрохимических ячейках в качестве измерительного электрода (катода)

используют золотой, платиновый или палладиевый. Вспомогательный элек-

трод в ячейках гальванического типа может быть из цинка, кадмия или свин-

ца, а в ячейках с внешним источником напряжения – из серебра. Раздели-

тельными полимерными мембранами в ячейках служат мембраны из фторо-

пласта – 4, полиэтилена толщиной от 10 до 100 мкм. Концентрацию раство-

ренного кислорода О

выражают в г/л или через парциальное давление рО

над раствором.

На рис. 7.4, б

приведена конструкция электрохимической ячейки с

внешним источником напряжения анализатора «Оксиметр». Ячейка состоит

из корпуса 10 и герметично закрепленного в нем блока электродов 9. По-