Ферментеры. Производство альфа-амилазы мощностью 110 кг в год

Технологические особенности процесса ферментации: аэробное и анаэробное культивирование. Конструкции ферментеров. Системы теплообмена, пеногашения, стерилизации. Проблемы масштабирования ферментационных процессов. Расчет продуктового баланса амилазы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Реферат

Отчёт: 48 страниц, 3 таблицы, 8 рисунков, 22 источника, 2 приложения.

ФЕРМЕНТЕРЫ. ПРОИЗВОДСТВО б - АМИЛАЗЫ МОЩНОСТЬЮ 110 КГ. В ГОД

Объектом исследования являлись промышленные ферментеры и б - амилаза

Цель работы - изучить промышленные ферментеры, их характеристики и принцип действия, рассчитать продуктовый баланс получения б - амилазы и подобрать аппаратурное оформление процесса

Результаты работы применяются в ежедневной практике инженера - биотехнолога

Содержание

Введение

1.Теоретическая часть

1.1 Процесс ферментации

1.2 Технологические особенности процесса ферментации

1.2.1 Аэробное культивирование

1.2.2 Анаэробное культивирование

1.3 Конструкции ферментеров

1.3.1 Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе

1.3.2 Ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе

1.3.3 Ферментеры с комбинированным подводом энергии

1.4 Системы теплообмена, пеногащения, стерилизации

1.5 Прблемы масштабирования ферментационных процессов

2.Технологическая часть

2.1 Расчет продуктового баланса б - амилазы

2.2 Расчет и выбор основного технологического оборудования

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Тема курсовой работы является весьма актуальной, так как ферментеры составляют основу биотехнологического производства, задача которых заключается в обеспечении оптимальных условий для роста культивируемых биообъектов и биосинтеза целевого продукта при соблюдении условий стерильности и экономичности процесса.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии. В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты. Поэтому цель курсовой работы заключается в рассмотрении таких важных вопросов, как ферментация, условия и оборудование для ее проведения, продуктовый баланс готового продукта и его характеристики.

ферментация амилаза культивирование

1. Теоретическая часть

1.1 Процесс ферментации

Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду посевного материала и до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта. По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью [5].

Ферментация - главная стадия биотехнологического процесса. Начинается с того момента, когда заранее подготовленный посевной материал вводится в реактор. Размножение культуры микроорганизма характеризуется четырьмя временными фазами на рисунке 1: лаг-фаза; экспоненциальная; стационарная; вымирание.

Рисунок 1 - Фазы роста и размножения микроорганизмов

Во время лаг-фазы метаболизм клеток направлен на то, чтобы синтезировать ферменты для размножения в конкретной среде. Длительность лаг-фазы может быть разной для одной и той же культуры и среды, так как на неё влияет множество факторов. Например, сколько в посевном материале было нерастущих клеток.

Экспоненциальная фаза - это период роста, когда происходит деление клеток с экспоненциальным ростом численности популяции. Этот период ограничен во времени количеством питательной среды. Питательные вещества кончаются или рост клеток замедляется из-за выделения токсичного метаболита.

Рост прекращается и наступает так называемая стационарная фаза. Метаболизм продолжается и может начаться выделение вторичных метаболитов. Во многих случаях целью является получение не биомассы, а именно вторичных метаболитов, так как они могут использоваться для получения ценных продуктов и препаратов. В этих случаях ферментация целенаправленно удерживается в стационарной фазе. Если продолжать ферментацию дальше, клетки постепенно будут терять активность, т.е. вымирать [3].

Ферментацию принято характеризовать с использованием разных критериев.

Наиболее часто она дифференцируется по принципу организации материальных потоков на периодическую, полупериодическую (регулируемую), непрерывную, отъемно-доливную, многоциклическую.

По характеру культивирования продуцента разделяется на поверхностную и глубинную. По типу целевого продукта в ферментации выделяют биомассу, высокомолекулярное индивидуальное вещество (ферменты и т.д.), низкомолекулярные первичные и вторичные метаболиты.

Периодический процесс достаточно прост и довольно часто употребляется. Однако нельзя считать его оптимальным. При периодическом процессе единовременно загружают в ферментер все компоненты питательной среды и посевной материал. схема процесса на рисунке 2.



Рисунок - 2 Ферментация по принципу организации процесса: а - периодическая; б - полупериодическая; в - непрерывная

После этого включаются все элементы обвязки ферментера и совершается полный цикл ферментации. По его завершении культуральная жидкость (вместе с мицелием) сливается и направляется в цех химической очистки для выделения целевого продукта. Таким образом, какой-либо коррекции условий биосинтеза во время ферментационного цикла не выполняется: нет ни постепенного поддержания оптимального соотношения источников углерода, азота, фосфора, ни добавления в нужный момент предшественников целевого продукта, ни сохранения оптимального значения рН и т.п. Все это сказывается на продуктивности ферментации. Выход целевого продукта снижается.

Полупериодический (регулируемый) процесс по сравнению с периодическим более прогрессивен. Улучшается рост продуцента и биосинтез целевого продукта, появляется возможность коррекции процесса при его отклонениях от оптимальных условий.

Непрерывный процесс ферментации заключается в том, что из ферментера непрерывно отбирают небольшие порции культуральной жидкости и одновременно в него же вносят такой же объем питательной среды. Система оказывается проточной. Использование непрерывного процесса целесообразно, например, в том случае, если целевым продуктом является непосредственно сама биомасса выращиваемого микроорганизма.

Отъемно-доливной ферментационный процесс является промежуточным между периодическим и непрерывным. Культуральная жидкость отбирается более крупными порциями, чем в непрерывном процессе.

Многоциклический процесс является еще одним вариантом периодической ферментации. По завершении ферментационного цикла при сливе культуральной жидкости в аппарате остается ее примерно 10%, а затем в ферментер вносят 90% (объемн.) свежей питательной среды, и начинается новый ферментационный цикл. Таким образом, для этого процесса не надо ни выращивать нового посевного материала, ни подготовки и стерилизации ферментера и трубопроводов, одновременно экономятся время и средства.

По характеру культивирования продуцента в питательной среде выделяют поверхностную и глубинную ферментацию. Необходимо подчеркнуть, что большинство биообъектов, используемых в качестве продуцентов биотехнологических продуктов, являются аэробами.

При поверхностной ферментации биообъект растет на поверхности жидкой питательной среды. Хотя целевой продукт (если он водорастворим) распределяется по всему объему среды, биомасса его продуцента располагается лишь в виде поверхностной пленки в любого рода емкостях: колбах, включая так называемые микробиологические матрицы, бутылях и, наконец, даже в ферментерах при условии, что не работает мешалка и барботажное устройство, т.е. нет ни массообмена, ни аэрации. Биомассы оказывается очень мало и, соответственно, мало целевого продукта.

При глубинной ферментации, несмотря на различия конструкций ферментеров, клетки продуцента вследствие работы мешалки или турбинного перемешивания и пропускания под давлением воздуха через всю толщу среды «работают» во всем объеме питательной среды. Это делает процесс высокоэкономичным. В ферментере создаются усло...