Подготовительные стадии

ПРИМЕРЫ БЛОК-СХЕМ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРИМЕРЫ БЛОК-СХЕМ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

Рассмотрим несколько примеров блок-схем производства раз­личных продуктов из числа перечисленных ранее. Блок-схема от­ражает последовательность технологических стадий при получе­нии продукта.

На рис. 3.2 представлена блок-схема производства биогаза. Эта схема значительно короче общей типовой схемы, представленной на рис. 3.1.

Компримиро­вание биогаза

Здесь из типовой схемы производства имеются подготовитель­ные стадии, стадия метанового брожения, сушка как стадия кон­центрирования. Компримирование биогаза можно рассматривать как создание его готовой формы.

ПРОИЗВОДСТВ

Рассмотрим несколько примеров блок-схем производства раз­личных продуктов из числа перечисленных ранее. Блок-схема от­ражает последовательность технологических стадий при получе­нии продукта.

На рис. 3.2 представлена блок-схема производства биогаза. Эта схема значительно короче общей типовой схемы, представленной на рис. 3.1.

Здесь из типовой схемы производства имеются подготовитель­ные стадии, стадия метанового брожения, сушка как стадия кон­центрирования. Компримирование биогаза можно рассматривать как создание его готовой формы.

Производство кормового лизина (рис. 3.4) несколько сложнее. Подготовительные стадии кроме получения посевного материала включают в себя стадии приготовления многокомпонентной сложной среды, ее стерилизацию, а также компримирование и стерилизацию воздуха. Два процесса составляют стадию концент­рирования: сначала образующуюся на стадии ферментации куль-туральную жидкость выпаривают под вакуумом (что дешевле, чем сразу сушить) и только после этого сушат на распылительной су­шилке. Есть модификации технологии, когда перед сушкой про­водят гранулирование продукта с добавленными отрубями, а суш­ку осуществляют на ленточной сушилке.

В производстве вина (рис. 3.5) впервые появляется стадия отде­ления биомассы — фильтрование.

Производство технических внеклеточных ферментов (рис. 3.6) включает в себя полный комплект подготовительных операций для асептической ферментации, отделение биомассы, выделение фермента ультрафильтрацией и затем две стадии сушки для двух продуктов: более мягкая для самого фермента и более жесткая для биомассы микроорганизмов, используемой как кормовой про­дукт.

Производство паприна (рис. 3.7) представляет собой получение инактивированной биомассы, поэтому кроме сепарации биомассы имеется еще процесс ее тепловой стерилизации. Важной особен­ностью этого процесса является возврат в ферментер фугата (на-

Подготовительные стадии служат для приготовления и подго­товки необходимых видов сырья биотехнологической стадии.

На стадии подготовки могут быть использованы следующие процессы.

Приготовление среды, обычно жидкой, включающей необходи­мые компоненты питания для биотехнологической стадии.

Стерилизация среды — для асептических биотехнологических процессов, где нежелательно попадание посторонней микрофлоры.

Подготовка и стерилизация газов (обычно воздуха), необходи­мых для протекания биотехнологического процесса. Чаще всего подготовка воздуха заключается в очистке его от пыли и влаги, обеспечении требуемой температуры и очистке от присутствую­щих в воздухе микроорганизмов, включая споры.

Подготовка посевного материала. Очевидно, что для проведения микробиологического процесса или процесса культивирования изо­лированных клеток растений или животных необходимо подгото­вить и посевной материал — предварительно выращенное малое по сравнению с основной стадией количество биологического агента.

Подготовка биокатализатора. Для процессов биотрансформа­ции или биокатализа необходимо предварительно подготовить биокатализатор — либо фермент в свободном или закрепленном на носителе виде, либо биомассу микроорганизмов, выращенную пред­варительно до состояния, в котором проявляется ее ферментативная активность.

Предварительная обработка сырья. Если сырье поступает в про­изводство в виде, непригодном для непосредственного использова­ния в биотехнологическом процессе, то проводят операцию по предварительной подготовке сырья. Например, при получении спирта пшеницу сначала дробят, а затем подвергают ферментатив­ному процессу «осахаривания», после чего осахаренное сусло на

биотехнологической стадии путем ферментации превращается в спирт.

Другой пример — использование древесины для получения дрожжей. Древесину сначала измельчают, а затем подвергают на­греву до 200°С в кислой среде. В результате такого процесса кис­лотного гидролиза происходит превращение древесины в раствор глюкозы и лигнин. Раствор глюкозы (гидролизат) как раз и ис­пользуется в биотехнологическом процессе для получения кормо­вых дрожжей.

Переходим теперь к стадии, следующей за биотехнологической.

3.3. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ И БИОМАССЫ "\\_г\

Чаще всего целевой продукт находится либо в самой биомассе, либо в жидкости. В обоих случаях необходимо сначала разделить эти две фазы. В зависимости от свойств биомассы и жидкости для

кая стадия, протекающая в аэротенках с подачей воздуха. Далее активный ил отделяется от жидкости отстаиванием, и очищенный сток поступает в водоем. Сгущенный активный ил частично воз­вращается на стадию биоокисления. Избыточное количество ак­тивного ила утилизируют одним из трех способов.

Первый и самый неэкологичный — распределение на так на­зываемых «иловых площадках», где он долго сушится на откры­том воздухе, занимая большие площади и распространяя вокруг запахи.

Второй способ предполагает концентрирование ила с помощью флотации. Концентрат активного ила поступает на сушку. Высу­шенный ил используют в качестве удобрения или кормового про­дукта — в зависимости от его загрязненности.

И наконец, третий способ: концентрат активного ила перера­батывается метановым брожением в биогаз, а образовавшийся осадок высушивается и также применяется как удобрение.

На рис. 3.15 представлена блок-схема очистки почвы от загряз­нений нефтью. Эта технология весьма напоминает сельскохозяй­ственную. Сначала загрязненный участок подвергают рыхлению путем вспашки. Далее в него вносят удобрение и биопрепарат (живые нефтеокисляющие микроорганизмы). После этого начи­нается биокомпостирование, в процессе которого обработанный участок периодически взрыхляют для обеспечения доступа возду­ха к микроорганизмам, проводят дополнительные подкормки удобрениями. При этом нефтеокисляющие микроорганизмы раз­множаются и в процессе своего роста потребляют нефтяные заг­рязнения, разлагая их до диоксида углерода и воды. Когда их со­держание снизится до определенного уровня, проводят посев тра­вяных культур, которые дополнительно восстанавливают структу­ру загрязненной почвы.

Блок-схема процесса бактериального выщелачивания металлов из руд представлена на рис. 3.16. Как и в других процессах, руду перед началом производства измельчают. Затем ее смешивают с раствором минеральных солей, и под действием микроорганизмов Thyobacillus ferrooxidans происходит переход ионов металла из руды в раствор. Далее суспензия отстаивается, твердая фаза возвращает­ся на стадию выщелачивания, а жидкая фаза поступает на стадию

Рис. 3.16. Бактериальное выщелачивание металлов из руд

биоокисления и регенерации клеток. Здесь двухвалентное железо под действием кислорода воздуха и бактерий превращается в трех­валентное, а количество микроорганизмов возрастает. Далее ра­створ подвергается отстаиванию. При этом образовавшийся оса­док, содержащий уже малые концентрации металла, поступает в отвал. Жидкий раствор с регенерированным трехвалентным желе­зом и ионами цветных металлов частично возвращается в биоре­актор, а частично идет на стадию выделения.

На рис. 3.17 схематически представлен процесс производства хлеба. Приготовление опары (суспензии муки в воде) является аналогом приготовления среды в биотехнологических производ­ствах. В опару добавляют дрожжи, и она подвергается брожению. Затем в нее дополнительно вносят муку («замес теста»), и вновь происходит анаэробный биологический процесс брожения. Далее тесто делят на заготовки и они уже в третий раз подвергаются дей­ствию дрожжей в процессе, называемом «расстойка». При этом диоксид углерода, образующийся при брожении, увеличивает объем хлеба и создает его пористость. Последующая стадия вы­печки закрепляет полученный результат и превращает по суще­ству жидкий полупродукт в твердое тело — хлеб, батон или прочие хлебобулочные изделия.

Приведенные примеры, конечно, не исчерпывают всех вопро­сов, связанных с той или иной из рассмотренных технологий. Они только показывают, что в зависимости от типа продукта тех-

вывают, гранулируют и сушат под вакуумом, после чего стерильно фасуют в знаменитые пенициллиновые флаконы.

По сравнению с пенициллином производство ферментолизатов (рис. 3.12) кажется совсем простым. В качестве сырья здесь ис­пользуют суспензию биомассы и фермент. При ферментолизе (биокаталитическом процессе) происходит нарушение клеточных оболочек и выход содержимого клетки в раствор. Один из вариан­тов предполагает сушку всей образовавшейся суспензии, при этом получают неочищенный ферментолизат.

В другом варианте оболочки клеток отделяют от раствора путем сепарирования или центрифугирования. Осадок представляет со­бой клеточные оболочки, которые после сушки являются хоро­шим сорбентом. Жидкая же фаза после сушки представляет собой очищенный ферментолизат.

На рис. 3.13 представлено производство внутриклеточных фер­ментов. Здесь после двух стадий отделения биомассы (сепарации и центрифугирования) появляется стадия дезинтеграции клеток, так как для выделения ферментов необходимо нарушить оболочку клеток. Далее происходит отделение оболочек клеток последова­тельно сначала на центрифуге, а затем с помощью микрофильтра­ции, и концентрат оболочек клеток поступает на сушку. Из жид­кой фазы путем ультрафильтрации выделяется и концентрируется фермент, который затем высушивается в мягких условиях (субли­мационная сушка).

Практически полным биотехнологическим производством яв­ляется биологическая очистка стоков (рис. 3.14). Здесь представ­лено большое число подготовительных стадий (усреднение сто­ков, их нейтрализация до необходимой величины рН, очистка от механических примесей фильтрованием или отстаиванием, очист­ка от нефтепродуктов в нефтеловушке, коагуляция реагентами ра­створенных примесей; отделение образовавшегося осадка отстаи­ванием). Подготовленный сток поступает на стадию биоокисле­ния, на которой происходит изъятие растворенных органических веществ активным илом. Это и есть собственно биотехнологичес-

-,•■■■<■•■■' Рис. 3.11. Производство пенициллина;.")

На рис. 3.10 представлено производство спирта из зерна. Зерно приходится дробить, но так, чтобы потом его частицы можно было отфильтровать. Приготовленная среда (ее называют «затор») осахаривается с помощью солодовых ростков ячменя, содержаще­го фермент глюкоамилазу, или с помощью фермента, полученного микробиологическим путем. Далее проводится анаэробная фер­ментация (брожение), в результате которой получается этанол и диоксид углерода. Этанол из образовавшейся бражки отделяют и концентрируют ректификацией. Газом заполняют баллоны, гото­вым спиртом — емкости, а кубовый остаток (барду) используют как корм. Иногда ее тоже сушат, хотя сейчас это стало дорого.

На рис. 3.11 дан пример очень длинной технологической схемы производства пенициллина. Здесь много подготовительных ста­дий, поскольку наряду с основной средой в процессе фермента­ции в ферментер подаются растворы глюкозы, аммиачной воды и фенилуксусной кислоты (ФУК). Получаемая после ферментации биомасса отделяется фильтрацией, сушится и используется как кормовой продукт. В фильтрате с помощью коагуляции отделяют­ся белки, получаемый осадок отфильтровывается.

Для обеспечения чистоты продукта предусмотрены последова­тельные четыре стадии экстракции с переводом пенициллина из водного раствора в органический растворитель бутилацетат, затем обратно в водную фазу — раствор соды, снова в бутилацетат и за­тем раствором едкого кали в водный раствор.

Интересно выполнена стадия освобождения бутилацетатного раствора от воды — его охлаждают до минус 16—18° С, а затем от­фильтровывают от образовавшихся кристалликов льда.

В составе среды есть темно-коричневый компонент — кукуруз­ный экстракт. Этот коричневый пигмент убирают из раствора пу­тем сорбции на угле.

Полученный водный раствор подвергают стерилизующей фильтрации, вакуум-выпариванию с бутиловым спиртом при низ­кой температуре (16—26° С). Сконцентрированный раствор крис­таллизуют охлаждением, а образовавшиеся кристаллы отфильтро-

зываемого ОКЖ — отработанной культуральной жидкостью) че­рез процесс биоокисления активным илом и отделения образовав­шейся вторичной биомассы (сгущенного ила), которая присоеди­няется к основной биомассе перед тепловой стерилизацией (на схеме не показано). В результате полностью исключаются стоки на стадии сепарации.

В этом же производстве используется сушилка с замкнутым контуром теплоносителя, в которой выбросы в атмосферу пыли биомассы исключены. Так решаются проблемы по стокам и выб­росам, вызвавшие большой резонанс при внедрении производства БВК (белково-витаминного концентрата) на разных заводах мик­робиологической промышленности.

Представленное на рис. 3.8 производство пекарских дрожжей является примером производства живого биопрепарата. При прес­совании дрожжей природоохранных проблем не возникает. При сушке необходима относительно низкая температура (клетки дол­жны остаться живыми!). К сожалению, стоки здесь не возвраща­ются в производство, а идут на очистные сооружения.

На рис. 3.9 представлено производство «гретой» вакцины, в ко­торой выросшие бактерии сначала отделяются ультрафильтраци­ей, затем происходит нагревание с реагентом и диализ, во время которого удаляются низкомолекулярные примеси из суспензии клеток. Ампулирование дает вакцины в готовой форме.

16. Среда ферментации (обычно полутвердая), увеличившая свой объем за счет выделения газов микроорганизмами. Примеры — хлеб, сыр.

Легко убедиться, что для многих из перечисленных видов про­дуктов технологическая схема будет укороченная, с исключением одной или нескольких стадий. В каждом конкретном случае это определяется целевой задачей, а также свойствами микроорганиз­мов, сырья и самого готового продукта.

Дата добавления: 2013-12-12