Специфика реализации биотехнологических процессов

04 Января в 13:32 3992 0


Биотехнические системы представляют собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления. В результате интеграции биологии и технических наук конструирование оборудования для реализации биотехнологических процесс-сов стало специализированной областью биотехнологии, называемой биоинженерия.

Аппаратурное оформление технологических процессов производства продуктов биотехнологии и прежде всего микробиологического синтеза весьма разнообразно и во многом специфично. Специфические требования к оборудованию биотехнологической промышленности связаны с санитарно-гигиеническими вопросами и предотвращением контаминации, что имеет решающее значение при проектировании.

В этой связи одним из основных требований к оборудованию микробиологического производства является его герметичность. Применение герметичных аппаратов, особенно для стадии культивирования биологических объектов, является важным условием качественного проведения процесса и получения стандартного продукта с высоким выходом.

Большое значение имеет правильный выбор материала, из которого изготовлено оборудование, поскольку компоненты материала могут оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на биосинтез биологически активных веществ. Еще одним важным требованием к оборудованию для биотехнологии является необходимость обеспечения высокой производительности. Чем больше производительность аппарата, тем меньше требуется сложных автоматических приборов контроля и регулирования параметров процесса, запорной аппаратуры, трубопроводов и др.

Оборудование должно быть рассчитано на проведение непрерывных процессов, поскольку это создает возможность интенсифицировать и автоматизировать биотехнологические процессы.

Важной особенностью биотехнологии является проведение основной технологической стадии (стадии ферментации) в водной среде, при постоянном перемешивании и вибрации, а также меняющихся параметрах (рН, температуры, ионной силы среды и др.). Эти обстоятельства предопределяют схожесть процессов приготовления питательных сред для микроорганизмов, проведения биосинтеза и выделения целевых продуктов и обуславливают создание универсальных установок, позволяющих осуществлять без серьезной переналадки большое количество процессов, производящих ценные продукты.

Биотехнологическая установка (ферментер, биореактор) состоит из стандартных модулей, реализующих типовые операции. Их конкурентоспособность по сравнению с установками, проектируемыми конкретно для заданного технологического процесса, определяется тем, что в них заранее заложена возможность быстрой замены технологий в широком диапазоне, в зависимости от меняющихся потребностей рынка. Это сокращает вынужденный простой установки и связанные с ним нерациональные накладные расходы.

Использование модульного принципа в биоинженерии позволяет добиться высокой степени заводской готовности оборудования и снижает затраты на его изготовление и монтаж. Модульный принцип также предусматривает разработку и использование типовых алгоритмов и программ оптимального управления оборудованием, модулей с использованием микропроцессоров, а также пакета программ оптимального для управления выбранными технологическими процессами.

Использование возобновляемого сырья с одновременным производством ценных, например кормовых препаратов, существенно снижает себестоимость получаемого продукта, что также повышает конкурентоспособность модульных линий, а их малая мощность облегчает обеспечение ее экологической безопасности. Кроме того, предлагаемое сырье и процесс его подготовки предусматривают полную утилизацию твердых отходов, концентрирование и использование стоков, и возврат конденсата от их упаривания в технологический процесс. Модульные линии имеют определенные перспективы для выхода на международный рынок, поскольку есть достаточное количество средних и малых стран, испытывающих потребность в препаратах, но не имеющих достаточных средств для создания крупных предприятий.

Однотипность модулей позволяет объединять их в сети, в которых отдельные функции линии могут быть сосредоточены в специализированных подразделениях.

Важнейшей задачей биотехнологического производства является получение максимального выхода целевого продукта. Для достижения этой цели процесс ферментации должен проходить в оптимальных условиях, которые создаются с помощью ферментационного оборудования и той инфраструктуры, которая обеспечивает его функционирование. В этой связи на первый план выдвигаются задачи, связанные с устранением заражения культуры посторонней микрофлорой и обеспечения качественного управления процессом культивирования.

Заражение культуры микроорганизмов или клеток посторонней микрофлорой приводит к прямым экономическим потерям, причем в ряде случаев очень значительным. Поэтому при выборе ферментационного оборудования в первую очередь обращают внимание на надежность обеспечения асептики процесса культивирования. Другое важное требование относится к процессу стерилизации питательной среды.

Питательная среда не должна быть «перегрета» при тепловой стерилизации, что приводит к деструкции таких ее компонентов, как витамины и аминокислоты, а результатом этого становится замедление роста культуры и падение продуктивности. Стерилизация питательной среды должна проводиться в автоматическом режиме. Практика показывает, что ошибки оператора являются главной причиной отсутствия стерильности питательной среды. Процессы, протекающие при ферментации, требуют непрерывного управления.

Всевозрастающая потребность отраслей народного хозяйства в продуктах микробиологического синтеза обусловливает разработку новых принципов подхода и к проектированию технологических линий микробиологических производств.



Особенностями такого подхода являются выяснение на этапе проектирования большого числа альтернативных вариантов технологических схем, возможных типов оборудования и формирование наиболее оптимальных из числа рассматриваемых схем. Очевидно, что разработка технологических линий в первую очередь должна осуществляться с учетом функционально-целевого назначения системы, особенностей продукта производства и совокупности ограничений, налагаемых спецификой объекта на структуру и функции системы.

Создание новой технологии начинают с выбора аналитических методик. Затем полученные сведения суммируются в лабораторной методике получения продукта. Далее с использованием лабораторного оборудования изучается динамика процессов, определяется критерий оптимальности, подбираются оптимальные параметры всех технологических операций и даются рекомендации по использованию промышленного технологического оборудования, оцениваются объёмы отходов, стоков и выбросов, определяются их параметры, даются рекомендации по их использованию. На основе результатов этих исследований готовится нормативная документация на производство, патентуется способ производства.

Итогом работы является лабораторный технологический регламент, который может использоваться для подготовки исходных данных на проектирование либо опытно-промышленной установки, либо опытного производства. Если полученные в лаборатории данные не позволяют с достаточной степенью уверенности осуществить расчетным путем масштабирование для серийного производства, проводятся опытно-промышленные работы, для чего создается опытно-промышленная установка. На ней производится отработка технологического процесса с использованием образцов промышленного оборудования уменьшенных размеров, которые, однако, должны обеспечить сохранение достигнутых показателей при промышленном производстве. При этом нарабатываются опытные партии продукции и проводятся их промышленные испытания, организуется анализ рынка, определяются технико-экономические показатели.

По результатам работы составляется опытно-промышленный регламент, который кладется в основу исходных данных на проектирование промышленного предприятия. Начиная с этого момента, можно говорить о наличии новой технологии.

Обычно разработчики технологии не являются инвесторами. Передача технологии от разработчика к инвестору происходит на коммерческой основе путем заключения лицензионного договора. Предварительно маркетинговая служба инвестора, изучая рынок и информацию о новых технологиях, готовит предложения о направлениях инвестиций, на основании которых инвестор принимает решение о строительстве нового предприятия.

Большое разнообразие биотехнологических процессов, нашедших промышленное применение в России (фармацевтические продукты, ферменты и ферментные препараты, живые культуры микроорганизмов, дрожжи, препараты добывающих отраслей промышленности, сельского хозяйства и защиты окружающей среды), приводит к необходимости рассматривать общие, наиболее важные проблемы, возникающие при создании конкретного биотехнологического производства. В общем виде система производства продуктов биологического синтеза представлена на рис. 7.1.

Система биотехнологического производства (схема Н.А. Войнова)
Рис. 7.1. Система биотехнологического производства (схема Н.А. Войнова)

Каждое конкретное микробиологическое производство имеет свои отличительные особенности практически на каждой стадии технологического процесса. Однако эти особенности не меняют общую технологическую схему микробиологического производства.

При осуществлении микробиологического синтеза можно выделить пять стадий производства. Это, прежде всего, стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которые могли бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе. Поддержание чистой культуры штамма продуцента - главная задача любого микробиологического производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелательных изменений штамм может служить гарантией получения целевого продукта с заданными свойствами.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. Реализуется микробиологическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты. Для промышленных микробиологических процессов характерно, как правило, образование очень разбавленных растворов и суспензий, содержащих, помимо целевого, большое количество других веществ.

При этом приходится разделять смеси веществ очень близкой природы, находящихся в растворе в сравнимых концентрациях, весьма лабильных, легко подвергающихся термической деструкции. Заключительная стадия производства - приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством большинства продуктов микробиологического синтеза является их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к разложению и в таком виде представляют прекрасную среду для развития посторонней микрофлоры. Это заставляет принимать специальные меры для повышения сохранности препаратов промышленной биотехнологии.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы