И методы их совершенствования

Требования к оборудованию процессов в биотехнологии

Число используемых процессов микробиологического синтеза достаточно велико. В зависимости от вида процесса, применяемых сырья и культуры микроорганизмов используется различное оборудование (исходя из предъявляемых требований к аппаратуре). Так, для проведения анаэробных биотехнологических процессов (производство этанола, органических кислот, некоторых вакцин и др.) не требуется подачи воздуха в аппарат, обычно не надо интенсивно перемешивать среду, а в ряде случаев отпадает необходимость соблюдать асептические условия культивирования (культивирование дрожжей).

Для осуществления аэробных процессов производства биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, ферментов, антигенов, некоторых вакцинных препаратов), напротив, необходимо обеспечить интенсивную аэрацию и перемешивание культуральной жидкости, соблюдать строго асептические условия, решить сложные вопросы пеногашения и т.д. Поэтому возникает необходимость стерилизовать поступающий на биопредприятие и в аппаратуру воздух, зонировать помещения, стерилизовать приборы и аппараты.

Чтобы процесс культивирования микроорганизмов проходил продуктивно, необходимо соблюдать следующие правила:

1. Обеспечить подвод кислорода к клеткам и отвод образующегося диоксида углерода из культуральной жидкости (аэробы).

2. Интенсивно перемешивать культуральную жидкость для её гомогенизации, обеспечения доступа жидких и газообразных субстратов ко всем клеткам, для удаления застойных зон в среде.

3. Осуществлять стерилизацию биореактора и связанных с ним коммуникаций, обеспечить асептические условия проведения процесса культивирования.

4. Иметь системы контроля за ходом культивирования, необходимые для реализации процесса ферментации (регулярный отбор проб и определение концентрации микроорганизмов или продуктов микробного синтеза и др.).

С учетом этих требований, а также особенностей конкретных процессов разработано большое число конструкций аппаратов для культивирования.

Оборудование для микробиологической промышленности изготавливают из высоколегированных марок нержавеющей стали, что в значительной степени оправдано.

Внутренняя поверхность стенок биореактора, применяемого для глубинного культивирования микроорганизмов в стерильных условиях, должна быть тщательно отполирована, желательно до зеркального блеска. Наличие грубо обработанных стенок может привести к загрязнению культуры посторонней микрофлорой, особенно в условиях непрерывного культивирования, длящегося до 30 и более суток.

Трубопроводы, подводимые к биореакторам и др. аппаратам, с которыми они технологически связаны, должны располагаться системно и обеспечивать возможность их раздельной стерилизации.

Конструктивное оформление биореактора определяется также выбранным

способом отвода тепла. Известно, что в зависимости от природы микроорганизма и стадии его развития изменяется количество выделяемого тепла.

Выбор типа и конструкции биореактора зависит от пенообразующих свойств среды и способа пеногашения. Под влиянием жиров и др. химических пеногасителей значительно изменяется проницаемость цитоплазматической мембраны, ухудшается обмен веществ, что в свою очередь приводит к ингибированию биосинтеза. Естественно, поэтому стремление к полной или, если это невозможно, хотя бы частичной замене химических средств пеногашения механическими, что влечет за собой конструктивные изменения аппарата.

Применение эффективных механических средств пеногашения без добавления химических пеногасителей усложняет конструкцию аппарата, но при этом значительно снижает расход дефицитных жиров и одновременно интенсифицирует биосинтез.

Значение процесса аэрации культуральной жидкости не ограничивается лишь доставкой О₂ к клеткам. В последнее время всё большее внимание исследований уделяется вопросам десорбции газообразных продуктов метаболизма и, прежде всего, диоксида углерода. Установлено, что лимитирующим фактором при культивировании может быть не массообмен по кислороду, а недостаточная интенсивность десорбции газообразных продуктов метаболизма. В частности, предполагается наличие как минимальной, так и максимальной критических концентраций СО₂.

Процесс аэрации неизбежно сопровождается перемешиванием культуральной жидкости. Однако этот процесс неизбежно связан с механическим воздействием на клетки. Последствия этого воздействия могут быть благоприятными, если наблюдается разрушение конгломератов (гранул) клеток, и вредными, если наблюдается разрушение или повреждение клеток.

Следовательно, для каждого контрольного процесса культивирования перемешивание лимитирует процесс по одному из следующих трех направлений:

1. Массопередача газ-жидкость (создание одинаково высокой турбулентности питательной среды по всему объёму аппарат обычно не удаётся, поэтому стремятся к тому, чтобы вся жидкость прошла через зоны, где турбулентность наиболее интенсивна).

2. Массопередача жидкость-клетка (определяется перемешиванием: в околоклеточной зоне и зависит от размеров клетки).

3. Механическое воздействие на клетку (зависит от срезывающих усилий, возникающих в жидкости из-за градиента скорости (сдвига). Количественно срезывающие усилия обычно характеризуются окружной скоростью лопасти мешалки).

Культуральные жидкости являются классическим примером жидкости, которая хорошо пенится.

Пенообразование при проведения аэробного процесса культивирования, безусловно, следует отнести к категории вредных явлений, осложняющих ведение процесса, поскольку:

- образование пены ведёт к уменьшению коэффициента заполнения культиватора;

- увеличиваются потери из-за уноса культуральной жидкости;

- затрудняется борьба с загрязнениями и могут выйти из строя фильтры для очистки аэрирующего воздуха;

- пенообразование ухудшает условия снабжения микроорганизмов О₂, питательными веществами и отвода продуктов метаболизма.

Для регулирования уровня пены при культивировании микроорганизмов и предотвращения её выброса из биореактора используют различные методы. Их можно разделить на пять групп.

1. Воздействие на пену химическими и физико-химическими средствами: использование питательных сред с пониженными пенообразующими свойствами; добавление ПАВ, уменьшающих прочность пленок пены.

2. Разрушение пены механическими, гидро- и аэродинамическими способами; ударное воздействие поверхностей деталей и элементов; воздействие жидкости или газа; сепарирование пены инерционными, центробежными и другими метами; лёгкое изменение пения газа в пене; захват и разрушение пены потоками перемешиваемой жидкости.

3. Разрушение пены при физических воздействиях: колебания звуковой и ультразвуковой частоты; термическое пеногашение острым паром или при помощи нагретой жидкости; электрическое пеногашение.

4. Стабилизация уровня пены путём временного уменьшения расхода аэрирующего воздуха, отключения механической мешалки, вывода избыточной пены из аппарата.

5. Комбинированные воздействия. На практике применяются в основном химические и механические способы пеногашения, а также их сочетания.

Механические устройства для пеногашения бывают двух типов - вращающиеся и неподвижные (статические).

Действие вращающихся механических устройств для пеногашения основано на разрушении пузырьков пены при контакте с их рабочими поверхностями. Одна из простейших и наиболее характерных конструкций механического пеногасителя - гладкий диск, вращающийся с большой скоростью над поверхностью пены.

Комбинированные системы автоматического пеногашения позволяют наиболее эффективно регулировать уровень пены в ферментаторе при минимальном расходе электроэнергии и химического пеногасителя. Стабильность уровня пены обеспечивает наиболее благоприятные условия для снабжения микроорганизмов О₂ и отвода СО₂.

Достижения в области развития клеточных культур, в первую очередь, связаны с созданием широкого круга культурально-тканевых противовирусных вакцин.

Новый мощный стимул культурально-тканевые методы получили в результате разработки гибридомной и ДНК-рекомбинантной технологии, с помощью которых можно получить широкий спектр биопрепаратов и удешевить производства многих традиционных биологически активных веществ.

Необходимо отметить, что аппаратурное оформление технологических стадий производства противовирусных вакцин существенно отличается от аппаратурного решения производства противобактерийных вакцин в силу своей строгой специфичности.

Развитие новых молекулярно-биологических методов и внедрение их в практику будет осуществляться на фоне успехов в разработке технологического оборудования и технических средств контроля и управления.

С помощью селекционированных, стимулированных, модифицированных и рекомбинантных клеточных систем осуществляется лабораторное и промышленное производство различных биопрепаратов. Особо необходимо отметить достижения в гибридомной технологии, на базе которой удалось осуществить производство широчайшего спектра лечебных и диагностических моноклональных антител.

Моноклональные антитела находят применение для лечебных целей и используются для очистки иммуноактивных препаратов.

С использованием клеточных культур осуществляется (в том числе и промышленным способом) производство многих иммунорегуляторных факторов, лимфокинов (интерфероны, интерлейкины и препараты). Также налажено производство вирусных инсектицидов - препаратов, не загрязняющих биосферу, устраняющих вредных насекомых и оставляющих живыми полезных. Получаемый в культурах клеток этот вирусных продукт в настоящее время производится в относительно ограниченных масштабах.

Часть гормональных препаратов также предпочтительнее производить в культурах клеток (гормоны, имеющие 50 - 200 аминокислот).

Используемые среды для систем клеток животных могут быть сложными (60 компонентов и более). В то же время исследователи располагают пока еще недостаточной информацией о том, что и как генерирует растущая клетка, и что и как она секретирует в окружающую среду. Поэтому пока трудно сказать, какая конкретно требуется новая среда, но она должна быть дешевле существующих, проще в изготовлении и применении, содержать меньшее число компонентов, обладающих большей химической определенностью, и отличаться большей универсальностью. Здесь необходимы дальнейшие исследования. Побудительной причиной и ориентиром проведения разработок могут служить требования, предъявляемые к системам, предназначенным для производства моноклональных антител.

Существуют два основных подхода к созданию необходимого оборудования. Первый подход предполагает создание оборудования предназначенного для ведения в оптимальных условиях только данного специфического процесса. Второй подход заключается в том, чтобы сконструировать многоцелевое оборудование, способное выполнять любой вид работы из заданной программы.

Примером первого подхода может служить создание аппаратуры для производства клеток животных, способных к генерированию целевых продуктов.

Альтернативная методология, предусматривающая иммобилизацию клеток на поверхности элементов надосадочного слоя, заключается в содержании клеток внутри пористых матриц. Такие системы были проверены в аппаратуре для производства антител из гибридомных клеток.

Разрабатывается аппаратура, позволяющая осуществлять гомогенное или квазигомогенное культивирование клеток животных (т.е. на микробоносителях) в масштабах от 100 до 1000 л; с его помощью можно выращивать клетки животных (включая гибридомы) в суспензии. Незначительная модификация (ввод воздуха и установка мешалки с приводом) приводит к тому, что данное оборудование становится пригодным для производства бактерий, дрожжей, и грибов. В принципе, в таком оборудовании можно производить и культуру клеток растений.

Однако во всех случаях отбор оборудования необходимо производить с учетом показателей, характеризующих его эксплуатационно-производственные качества, сопоставимые с оборудованием альтернативных систем, например: эрлифтные и башенные или колоночные биореакторы, аппараты с тяговыми трубами и др. В этом состоит суть технологической оценки конкурирующих аппаратов. Следует иметь в виду, что для большинства (если не для всех) линий клеток животных пока остаются неизвестными факторы, обуславливающие их высокую чувствительность к «срезающим усилиям», а также механизм, благодаря которому «пузырьки» интерферируют с выживаемостью и продуктивностью этих клеток. Такие вопросы лучше всего решать путем применения для культивирования клеток нестандартных сосудов и обеспечения контролируемых условий проведения процессов на основе создания непрерывно-проточных систем культивирования по схеме хемостата или турбидостата.

Как и в других областях биотехнологии, в области культивирования клеток животных и получения из них целевых продуктов невозможно увеличить размер рабочего оборудования без изменения его основных геометрических свойств и массообменных характеристик (отношение жидкости к ее объему и вводимой мощности к объему жидкости, а также коэффициента массопередачи кислорода K_L). Ощущается недостаток знаний о масштабировании таких систем культивирования клеток животных, для которых образование газовых пузырьков (и мелких пузырьков, генерирующих высокие площади контакта) является явлением нежелательным. Необходимо также иметь больше информации о факторах, ограничивающих рост клеток в циклической и непрерывной культурах.

Для оптимизации работы оборудования и процессов необходим монтаж в рабочей схеме соответствующих датчиков локальных и управляющих компьютеров, а также электронно-вычислительных машин.

За последние годы технический уровень производства биопрепаратов претерпел значительные количественные и качественные изменения. Глубинный метод культивирования становится преобладающим при изготовлении противобактерийных вакцин. Наблюдается тенденция к более широкому внедрению данного метода и в производстве противовирусных препаратов.

Основной целью оснащения биологических процессов современным оборудованием, техническими средствами механизации и автоматизации является повышение производительности и качества биопрепаратов, охрана труда и вопросы экологии.

Широкое привлечение в биотехнологии методов математического моделирования, оптимизации, масштабирования, реализации системного подхода с использованием экономико-математических методов автоматизации и методов кибернетики придало этому направлению своеобразные черты, обусловленные характером технологии, ценностью потребностям и специфики живых объектов и своеобразными чертами экономики биотехнологических процессов и их аппаратурного оформления.

Дата добавления: 2014-03-03; просмотров: 535; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!