Процеси в біотехнології постферментаціонная стадія, фракціонування екстрактів біомаси

Постферментаціонная стадія

Постферментаціонная стадія забезпечує отримання готової товарної вугільної продукції та також знешкодження відходів і побічних продуктів. Культуральна рідина, що утворюється в процесі ферментації, являє собою складну багатофазну систему: у водній фазі містяться клітини продуцента, продукти їх життєдіяльності, неспожитої компоненти живильного середовища, дрібні крапельки жиру і бульбашки повітря.

Залежно від цільового призначення кінцевого продукту (для охорони здоров'я, технічних цілей, сільського господарства і т. Д.), Локалізації кінцевого продукту (клітина або культуральна рідина) і його природи на постферментаціонной стадії застосовують різну апаратуру, методи виділення і очищення (рис. 2.3 ). Найбільш трудомістким виділення продукту, що накопичується в клітинах.

Мал. 2.3. Можливі способи виділення цільового продукту

Першим етапом постферментаціонной стадії є фракціонування культуральної рідини і відділення зваженої фази - біомаси. Найбільш поширений метод для цих цілей - сепарація, здійснювана в спеціальних апаратах - сепараторах, які працюють за різними схемами, залежно від властивостей оброблюваної культуральної рідини.

Основні проблеми виникають при необхідності виділення мелковзвешенних частинок розміром 0,5-1,0 мкм і менше (бактеріальні клітини) і переробки великих обсягів рідини (виробництво кормового білка). Для підвищення ефективності процесу сепарації застосовують попередню спеціальну обробку культури - зміна pH, нагрівання, додавання хімічних агентів.

Фракціонування екстрактів біомаси

Отримані за допомогою біосинтезу (ферментації) продукти завжди опиняються у складній суміші з іншими продуктами життєдіяльності тієї ж биосинтетической системи, будь то культура клітин мікробів, клітин тварин або рослин або навіть цілий організм. Найважливішим завданням біотехнології є очищення цільового продукту з цієї складної суміші. Цільовий продукт може перебувати або всередині клітини, або поза нею - в культуральної рідини.

Відокремлюючи клітинну масу від культуральної рідини, ми частково збагачуємо цільової продукт, видаляючи з містить його суміші відповідні компоненти - позаклітинні або внутрішньоклітинні відповідно. Однак складність суміші, в якій виявляється продукт, залишається все ще високою. У разі якщо він знаходиться всередині клітин, останні необхідно зруйнувати, після чого ми переходимо до фракціонування многокомпонентного розчину; якщо ж ми маємо справу з позаклітинним продуктом, то відразу можемо приступати до фракціонування розчину, що, по суті, є першим етапом очищення цільового продукту. Це завдання є фактичною завданням на поділ суспензії і має кілька варіантів інженерного рішення.

Поділ суспензій. Одним із способів поділу суспензій єседиментації - поділ культури як дисперсної системи на дисперсну фазу і дисперсійне середовище (в нашому випадку - клітини продуцента і культуральну рідину). Поділ фаз в найпростішому випадку може бути досягнуто тривалим відстоюванням, в процесі якого клітини продуцента, що відрізняються по щільності від культуральної рідини, рано чи пізно або випадуть в осад, або спливуть.

Однак при здійсненні біотехнологічних процесів утворюються системи, в яких дисперсна фаза складається з дрібних частинок, що мало відрізняються по щільності від дисперсійного середовища. Крім того, оскільки ми маємо справу з живою системою, в якій тривають біохімічні системи, можливо зниження концентрації цільового продукту за рахунок деградації його клітинними ферментами. Все це призводить до необхідності прискорити процес поділу системи. Для цього використовують центрифуги (центрифугування).

З їх допомогою можна вирішити такі технологічні завдання:
- поділ суспензії на осад і розчин;
- поділ емульсій на дві рідкі фази різної щільності.

Центрифуги використовують як в лабораторіях, так і в промисловому виробництві. Лабораторні центрифуги являють собою апарати періодичної дії, в які завантажується певну кількість суміші, що, виробляють в заданих умовах процес поділу, зупиняють і вивантажують рідку фазу і осад. У промисловості найчастіше застосовують центрифуги безперервної дії, що дозволяють переробляти за один цикл обсяги розділяється суміші, що значно перевищують місткість ротора.

Швидкість осадження можна регулювати шляхом підбору співвідношення щільності дисперсної фази і дисперсійного середовища. Одним з варіантів використання цього принципу є центрифугування в градієнті щільності розчинника. Для цього до складу розчинника вводять компонент, що дає розчини високої щільності. Найчастіше використовуються сахароза, деякі спеціальні полімери (фіколл -сополімер сахарози і епіхлоргідріна, Перколла - колоїдні частинки силикагеля, покриті полівінілпіролідоном) або розчини солей (CsCl, Cs2SO4, CsI і інші солі цезію).

Інші способи поділу суспензій. Клітини мікроорганізмів можна просто відфільтрувати від культуральної рідини, що і використовується при стерилізації поживних середовищ. Але якщо при стерилізації вимоги до змісту мікробних клітин в фільтраті дуже високі, то при відділенні клітин від культуральної рідини, після вирощування мікробної культури, ці вимоги набагато нижче. Ці обставини дозволяють використовувати при фільтраційному поділі технологічної культури матеріали грубіші за розмірами пор, але що володіють високою механічною міцністю і пропускною спроможністю.

До такого роду матеріалів відноситься, зокрема, тканину Петрянова (по імені радянського вченого-хіміка). Для здійснення фільтрації застосовується спеціальна апаратура - вакуумні фільтри барабанного типу, фільтр-преси, на яких фільтрація йде під тиском. Існують також фільтруючі центрифуги, в яких відцентрова сила використовується для продавлювання рідини через шар фільтруючого матеріалу.

У деяких випадках при поділі мікробних суспензій використовують техніку флотації, коли в культуру додають відносно невелика кількість не змішується з водою рідини в дрібно роздробленому стані. На поверхні розділу крапельок цієї рідини і води сорбируются клітини культури, і після розшаровування емульсії мікробну масу вдається сконцентрувати.

Руйнування клітинної маси (дезінтеграція)

Для вилучення цільових продуктів, що знаходяться всередині клітини мікроорганізму або при отриманні продуктів з тканин тварин або рослин, необхідно перш за все зруйнувати їх або здійснити процедуру дезінтеграції.

Дезінтеграція клітинної маси являє собою один з найважливіших елементів біотехнологічного процесу. Цю процедуру здійснюють фізичними, хімічними або ферментативними методами.

Найбільш поширеними в промисловості є фізичні методи, серед яких найчастіше застосовують балістичні методи дезінтеграції. Сутність цієї групи методів полягає в тому, що біомасу піддають дії удару або стирання. У першому випадку біомасу поміщають в циліндричний барабан, що обертається навколо осі і наповнений кульками з важкого твердого матеріалу (метал або фарфор).

При обертанні барабана кульки перекочуються і вдаряють по агломератам біомаси, причому удари відбуваються досить часто і в різних напрямках. Це призводить до руйнування клітинних стінок і отримання однорідного в'язкого розчину, в якому ви побачите уміст клітин.

Однак слід враховувати, що в ході такої обробки вміст барабана істотно нагрівається від зіткнень. З огляду на термолабильность компонентів клітини, це тепло необхідно видаляти, що досягається введенням в конструкцію дезінтегратора тепловідвідних елементів. Зазвичай це сорочка (кожух, в який поміщають барабан), через яку пропускають холодну воду або інший холодоагент. Ступінь дезінтеграції (частка зруйнованих клітин) за один цикл складає 52-85%, в залежності від виду піддається обробці біомаси.

Хід дезінтеграції можна описати рівнянням

де А - ступінь дезінтеграції,%, К - константа швидкості дезінтеграції, f -об'ємна швидкість, л / год.

Іншим способом механічної дезінтеграції клітин є екструзія. Сутність цього методу полягає в тому, що суспензію клітинної маси під високим тиском продавлюють через вузький отвір в камеру з нормальним тиском. При цьому через великий перепад тиску вода, яка потрапила в клітини, швидко виходить з них і при цьому руйнує клітинну стінку. Крім цього відбувається розігрів і також необхідно охолодження щоб уникнути втрат продукту через термоінактивації. Ступінь руйнування клітин при такому способі становить до 90%.

Ультразвукова дезінтеграція. Крім механічних способів використовуються прийоми, засновані на впливі на клітини ультразвуку. Під дією ультразвукового поля клітини випробовують поперемінні стиснення і розтягування, скручування в різних напрямках, що, врешті-решт, призводить до розриву клітинної стінки і її руйнування.

Як і в разі балістичних методів, операція дезінтеграції за допомогою ультразвуку може здійснюватися як в періодичному, так і в безперервному режимах. Для цієї мети сконструйовані спеціальні осередки, що дозволяють прокачувати суспензію руйнується біомаси зі швидкістю декількох літрів в хвилину при концентрації клітин в суспензії до 20% і підтримувати при цьому температуру 2-4 С. Для більш повного руйнування біомасу можна повертати в цикл.

Хімічні методи руйнування клітин. Як різні методи механічної дезінтеграції, так і ультразвукова дезінтеграція біомаси засновані на використанні механічного розриву клітинної оболонки - або її абразивний руйнування, або розрив її за рахунок осмотичних сил.

У ряді випадків більш зручним виявляється руйнування клітинної оболонки за рахунок переведення в розчин окремих її компонентів, т. Е. Зміни її складу та структури, що робить її більш проникливою для клітинного вмісту.

Одним з таких методів є детергентні лізис клітин. Біомаса продуцента в цьому випадку обробляється будь-яким з детергентів, який розчиняє ліпідні компоненти клітинної стінки, після чого внутрішньоклітинні компоненти через що утворилися пори випливають в навколишнє середовище.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик