Концентрирование, обезвоживание, модификация и стабилизация продукта

Концентрирование продукта проводят методами осмоса, ультрафильтрации, выпаривания, изотахофореза.

При использовании обратного осмоса раствор помещают в мешок из полупроницаемого материала, а мешок погружают в сосуд с растворителем. За счет разности давлений и осмоса происходит концентрирование продукта.

Ультрафильтрация – отделение веществ с помощью мембранных фильтров.

Наиболее древний метод – выпаривание. Его недостаток состоит в необходимости нагревания, которое проводят при низком давлении.

Изотахофорез основан на разделение ионных компонентов смеси с различной электрофоретической подвижностью. Используют два электролита, например трис-Cl и трис–глицин. Анионы Cl^- имеют большую электрофоретическую подвижность, чем анионы глицина. Соответственно трис–Сl называют лидирующим, а трис–глицин – терминирующим электролитом. Разделяемую смесь вносят в гель на границу раздела лидирующего и терминирующего электролита. При наложении электрического поля высокой напряженности анионные компоненты смеси образуют в геле четко разграниченные зоны. Скорость их движения совпадает со скоростью перемещения ионов лидирующего и терминирующего электролита, поэтому метод и получил название изотахофореза, т.е. – движение (форез) с одинаковой (изо) скоростью (тахо).

Обезвоживание продукта. Сушка на подносах, на ленточном конвейере с подогревом, подачей газообразного нагревательного агента (воздуха, СО₂ и др.) в сушильный аппарат, в вакуум – сушильных шкафах, в барабанных и распылительных сушилках.

Модификация продукта – перестройка полученных соединений с целью придания им специфических свойств, необходимых человеку (пенициллин – ампициллин, бычий инсулин – инсулин человека и др.).

Стабилизация продукта направлена на повышение срока его хранения (добавление наполнителей, модификация и др.).

Ферментер или ферментатор - это закрытая или открытая емкость, в которой при определенных условиях (давление, темперартура, концентрация сухих веществ, pH среды и т.д.) протекает на клеточном или молекулярном уровне контролируемая реакция, осуществляемая с помощью микроорганизмов.

Основное назначение ферментера - своевременно обеспечить микробную клетку необходимыми питательными веществами и кислородом и отвести продукты обмена веществ, создать однородный состав среды при условии слабой турбулентности потока.

В водной среде ферментера путем добавления и отбора регулируют степень перемешивания, транспорт веществ к клетке, концентрацию субстрата, кислорода, витаминов, минеральных и вспомагательных веществ, температуру и давление.

Для поддержания необходимого кислородного режима ферментер снабжают устройством подвода воздуха, для лучшего перемешивания среды - мешалками различной конструкции. В процессе роста микроорганизма выделяется 10-14 кДж теплоты на 1 кг сухой массы дрожжей. Для отвода избыточного количества теплоты и поддержания температуры среды на оптимальном уровне в ферментаторах предусмотрены различные системы охлаждения: змеевики вдоль стен внутри аппарата, выносные теплообменники и др.

Классификация ферментационных систем. Конструкции промышленных ферментеров отличаются большим разнообразием в зависимости от специфических свойств субстратов, морфологических и физиологических особенностей культивируемых микроорганизмов, способов культивирования, систем подачи воздуха, перемешивания, подвода энергии, отвода теплоты.

Система называется закрытой, если ни одна составная часть этой системы после начала процесса в биореакторе не вводится и не выводится. В периодическом процессе ферментер сначала подают все питательные вещества, водную фазу и посевной материал. Процесс идет в соответствии с кривой роста микроорганизмов с заключительным замиранием реакции, обусловленным недостатком субстрата, накоплением токсических метаболитов, неблагоприятным изменением физико-химических условий окружающей среды (рН, температура, парциальное давление кислорода, вязкость), гибелью и лизисом микроорганизмов. Во время культивирования все параметры непрерывно изменяются.

Развитие управляемых периодических процессов привело к созданию объемно-доливочной системы: в процессе культивирования главные компоненты среды добавляют дробно, чем исключают субстратное ингибирование. Никакие жидкие компоненты из среды не отводят.

Открытые системы работают в непрерывном потоке. Сумма постоянно и равномерно дозируемых сырьевых веществ постоянно определяет количество вводимой культуральной жидкости, поэтому реакционный объем не изменяется. В единицу времени субстрата вводят не больше, чем может переработать культура. Проводят непрерывное культивирование по крайней мере с одной лимитирующей рост концентрацией вещества. Регулирование осуществляют поддержанием концентрации биомассы или продукта на постоянном уровне путем изменения концентрации субстрата (турбидостат) или применения строго лимитированной концентрации питательных веществ с соответствующим изменением концентрации клеток или продукта (хемостат).

Литература

1. Биотехнология: Учебное пособие для вузов в 8 книгах. Под ред. Егорова Н. С., Самуилова В. М. – М: Высшая школа, 1987. С. 1 – 1194.