Реферат - постферментаціонное виділення продуктів

У сфері виробництва біотехнологічні процеси різко відрізняються від хімічних процесів. В першу чергу відмінність полягає в тому, що в біотехнології використовують складнішу організацію матерії - біологічну, зокрема клітини мікроорганізмів, тканинні культури тварин і рослин, а так само ферменти та ін [1].
Основними елементами, що складають біотехнологічні процеси, є: біологічний агент (наприклад, мікробна культура клітин, відібрана при дотриманні принципу технологічності штаму, тобто здатна зберігати свою морфологію і біохімічні властивості в процесі ферментації), субстрат, апаратура і продукт [2].
Біотехнологічні процеси можна поділити на біологічні (засновані на використанні еукаріот і прокаріот), біохімічні (використання ферментів) і біоаналогічние (хімічний синтез речовин близькі за структурою до клітинних метаболітів).
Мета даної роботи розглянути стадії біотехнологічного процесу, розглянути постферментатівное виділення продуктів.

Будь-біотехнологічний процес включає в себе три основних стадії: предферментаціонную, ферментаційне і постферментаціонную. Схема реалізації біотехнологічних процесів представлена ​​на рис.1.
Предферментатівная стадія включає в себе всі процеси пов'язані зі зберіганням і підготовкою культури продуцента (інокулята), приготуванням поживних середовищ, ферментаційної апаратури, підготовка води і повітря. Велика увага на цій стадії звертається підтримці і підготовці чистої культури. Промислової штам повинен відповідати таким основним характеристикам:

стабільність морфологічних ознак, фізіологічної активності при виробництві;
підвищена швидкість росту і біосинтезу;
широкий діапазон стійкості до впливу несприятливих зовнішніх факторів (рН, температура, перемішування);
помірна вимогливість до джерел живлення;

При формуванні іннокулята використовують принцип масштабування, нарощуючи біомасу починаючи з малих обсягів колб і закінчуючи серією послідовних ферментеров.
Далі слід ферментаційна стадія [1]. Процес ферментації - процес, який здійснюється за допомогою культивування мікроорганізмів, в ході якого відбувається взаємодія продуцента з субстратом і утворення цільових продуктів. Стадія здійснюється в біохімічному реакторі і може супроводжуватися процесами:

біотрансформації (зміна структурної формули під дією ферментативної активності клітин мікроорганізмів або готових ферментів),
биокатализа (хімічні перетворення протікають з використанням біокаталізаторів-ферментів),
біоокислення (споживання забруднюючих речовин або асоціації мікроорганізмів в аробних умовах),
бродіння,
біокомпостірованіе (зниження вмісту шкідливих органічних речовин асоціацією мікроорганізмів в твердих відходах,
біосорбції (сорбція шкідливих домішок з газів або рідин за допомогою мікроорганізмів),
бактеріальне вилуговування (процес розчинення нерозчинних у воді сполук металів в розчинений стан під дією спеціальних мікроорганізмів),
биодеградация (деструкція шкідливих сполук) [3].

В ході періодичної ферментації вирощується культура проходить ряд послідовних стадій: лаг-фазу, експонентну, уповільнення росту, стаціонарну і відмирання. Цільові продукти утворюються в експоненційної фазі (первинні метаболіти - ферменти, амінокислоти, вітаміни) і стаціонарної (вторинні метаболіти - антибіотики, алкалоїди. Гормони, токсини). Для оптимізації процесу і отримання максимального виходу використовують принцип диференційованих режимів культивування.
Безперервна ферментація біооб'єктів здійснюється в умовах сталого режиму, коли мікробна популяція і її продукти життєдіяльності однорідні.
В ході ферментації утворюються складні суміші, що містять клітини, позаклітинні метаболіти, залишкові концентрації вихідного субстрату. При цьому цільові продукти знаходяться в невеликих концентраціях і багато з них є нестійкими сполуками. Все це накладає обмеження на наступні стації вилучення і очищення цільового продукту в постферментаціонной стадії [1]. У постферментаціонную стадію здійснюється отримання готової товарної вугільної продукції, обехвредіваніе відходів і побічних продуктів [1].
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 бульбашки повітря [1].
Асортимент продуктів, одержуваних біотехнологічними методами, різноманітний. За обсягами виробництва на першому місці стоять продукти, одержувані за допомогою мікроорганізмів. Ці продукти поділяються на три групи:

біомаса, яка може бути цільовим продуктом (білок одноклетчних) або використовуватися в якості біологічного агента (біометаногенеза, бактеріальне вишелачіваніе металів);
первинні метаболіти - низькомолекулярні сполуки, необхідні для росту мікроорганізмів в якості будівельних блоків макромолекул, коферментів (амінокислоти, вітаміни, органічні кислоти);
вторинні метаболіти (ідіоліти) - це з'єднання, не є необхідною умовою для зростання мікроорганізмів і не пов'язані з їх зростанням (антибіотики, алкалоїди, гормони росту і токсини).

У зв'язку з розвитком новітніх методів біотехнології (інженерної ензимології, клітинної та генної інженерії) спекктор цільових продуктів безперервно доповнюється. Серед них все більше місце займають засоби діагностики і лікування (моноклональні антитіла, вакцини і сироватки, гормони, модифіковані антибіотики) [2].

Поділ фаз культуральної рідини

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 ). Найбільш трудомістким виділення продукту, що накопичується в клітинах [1].

Найчастіше цільової продукт може зберігатися або в самій біомасі, або в рідини. В обох випадках необхідно спочатку розділити фази. Залежно від властивостей біомаси та рідини для цих цілей можуть бть використані різні процеси.

відстоювання (поділ під дією сил гравітації);
фільтрація (пропускання суспензії через пористий матеріал, на якому затримуються біомаси);
сепарація, центрифугування (поділ під дією відцентрових сил);
мікрофільтрація, ультрафільтрація (пропускання суспензії через мембрани з малим розміром пір, отримання розчину, вільного від зважених часток);
коагуляція (додавання в суспензію реагентів, що сприяють утворенню клітинних агломератів, які відокремлюють шляхом відстоювання);
флотация (захоплення біомаси мікроорганізмів бульбашками піни і виділення її з пінної фракції) [3].

Методи дезінтеграції біомаси

Для вилучення цільових продуктів, що знаходяться всередині клітини мікроорганізму або при отриманні з тканин тварин або рослин, необхідно перш за все здійснити дезінтеграцію клітинної біомаси. Цю процедуру здійснюють фізичними, хімічними і ферментативними методами.
Серед фізичних методів часто використовують:

Балістичні методи. Суть методу полягає в тому, що біомасу піддають дії удару або стирання. Її 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 которомнаходітся вміст клітин.
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.
Дія ультразвукового поля. При цьому клітини випробовують поперемінні стиснення і розтягування, скручування в різних напрямках, що, врешті-решт, призводить до розриву клітинної стінки і її руйнування [1].

До хімічних методів руйнування клітин відносять:

Гідроліз (руйнування оболонок клітин під дією хімічних реагентів і температури);

Серед ферментативних методів руйнування клітин виділяють:

Ферментолиз (руйнування клітинних оболонок під дією ферментів при підвищеній температурі);
Автолиз (використання власних ферментів клітини для її руйнування).

Виділення цільового продукту

Після проведення попередньої операції по руйнуванню клітин, необхідно виділити цільовий продукт з отриманого розчину. Сушествует кілька підходів до фракціонування сумішей:

Сольове фракціонування грунтується на відмінності розчинності продукту в сольових розчинах різної концентрації. Зазвичай для цих цілей застосовують сульфати, фосфати натрію, калію і амонію.
Фракціонування шляхом додавання органічних розчинників, поступово збільшуючи їх концентрацію. Найчастіше в якості осадителей використовують етанол і ацетон. Можна також застосовувати метанол, ізопропанол, діоксан, етилацетат та ін.
Фракціонування з використанням нейтральних високомолекулярних сполук. Розчини полімерів зазвичай мають підвищену в'язкість, тому для цілей фракціонування використовують полімери, що утворюють розчини з мінімальною в'язкістю. Серед таких найбільш зручними виявилися поліетиленгліколі. У разі полімерів певні проблеми виникають при їхньому відділенні від цільових білків. Зазвичай це здійснюється за допомогою гель-фільтрації на молекулярних ситах або шляхом осадження білка з розчину сіллю так, щоб полімер при цьому залишився в розчині [1].

Крім цього використовують такі методи виділення цільового продукту як:

Адсорбція (переклад розчиненого в рідині продукту в тверду фазу шляхом його сорбції на твердих носіях);
Іонний обмін (переклад в тверду фазу іонів і домішок шляхом сорбції на твердому носії);
Отгонка, ректифікація (для легкокипящих компонентів суміші);
Ультрафільтрація, нанофільтрація і зворотний осмос (для виділення високомолекулярних сполук - білому, поліпептидів і полінуклеотидів);
Центрифугування, ультрацентрифугирование (використовують для виділення вірусів, клітинних органел, високомолекулярних сполук) [3].

очищення продукту

Розглянутими методами можна отримати відносно грубо очищені препарати. Для багатьох цілей такого очищення виявляється досить і цим слід користуватися, так як прості за технологією процедури з використанням дешевих реагентів призводять до отримання препаратів з низькою собівартістю. Однак іноді виникає необхідність отримання високоочищених препаратів (наприклад, отримання продуктів для застосування в медицині як лікарські або діагностичних засобів, а також для дослідницьких цілей в галузі молекулярної біології, біохімії, біоорганічної хімії та т. Д.) [1].
і т.д.