Загрузил Сидорова Елена

Реферат Системы контроля и управления процессом ферментации

Реклама
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Казанский национальный исследовательский технологический
университет»
(ФГБОУ ВО КНИТУ)
___________________ИППБТ, ФПТ__________________
(название института, факультета)
Кафедра ____________Биотехнологии__________________
Реферат
По дисциплине: «Научно-практические основы биоинженерии»
Тема: Системы контроля и управления процессом ферментации.
Выполнила студентка гр. 619-М11 (Сидорова Е.И.)
Проверил Доцент кафедры ПБТ, к.т.н (Агзамов Р.З.)
Казань 2020 г.
Способы организации процессов ферментации
 Периодические
 Непрерывные
 Многоциклические
 Отъёмно-доливные
 Периодические с подпиткой субстрата
 Полунепрерывные с подпиткой субстрата
Требования к ферментационному процессу в зависимости от
физиологического значения целевых продуктов для продуцента –
первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные
вещества
В общих словах микроорганизмы должны:
 обладать высокой скоростью роста (размножения);
 расти на дешевых питательных средах;
 быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать высокой
конкурентоспособностью;
 не обладать патогенностью по отношению к человеку, домашним
животным и растениям
Требования к ферментационному процессу при использовании
рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта
целевые продукты
 Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и
активных продуцентов, т. е, при подборе объектов в биотехнологии,
является их селекция. А генеральным путем селекции является
сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора
нужного продуцента.
 В развитии микробных технологий в свое время сыграли (да и сейчас
еще продолжают играть!) очень важную роль методы, базирующиеся на
селекции
спонтанно
возникающих
измененных
вариантов,характеризующихся нужными полезными признаками.
 Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно
ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза.
Независимо от типа биореактора процесс ферментации строго
контролируют по:
 концентрации растворенного кислорода;
 pH;
 температуре;
 интенсивности перемешивания биомассы.
Существенные изменения любого из этих параметров резко снижают
скорость роста клеток и стабильность белкового продукта. Для оптимального
роста Е. coli и других микроорганизмов, используемые при экспрессии
рекомбинантных белков, нужна хорошо аэрируемая культуральная среда.
Кислород плохо растворим в воде (0,0084 г/л при 25 °С), поэтому он должен
подаваться в среду непрерывно. В процессе ферментации специальный датчик
контролирует содержание растворенного кислорода в среде, равномерность
его распределения по всему объему, тщательность перемешивания культуры,
что, вместе взятое, обеспечивает эффективность диспергирования пузырьков.
Пространство, где взаимодействуют микроорганизмы и питательная среда,
принято называть микросредой. Если микросреда данной культуры одинакова
в каждой точке, такую культуру считают гомогенной. Гомогенность
достигается эффективным перемешиванием всех компонентов среды и
микроорганизмов по всему рабочему объему. Гомогенность невозможна без
аэрации, которая осуществляется барботерами различных конструкций,
например, в виде кольцевого желоба с отверстиями, перфорированной трубы
или форсунки.
Оптимальный рост большинства микроорганизмов идет при pH от 5,5
до 8,5; однако клеточные метаболиты, выделяющиеся в культуральную среду,
могут изменять рН. Изменение рН среды заметно сказывается на активности
ферментов микроорганизмов, состоянии промежуточных продуктов, их
диссоциации, растворимости и т.п., что значительно влияет на выход
конечного продукта. Тщательно контролируя pH, при необходимости в
ферментер добавляют кислоту или основание, хорошо перемешанные с
питательной средой и равномерно распределенные по всему объему.
Успех ферментации зависит от температуры. Если она ниже
оптимальной (37 °С), рост микроорганизмов замедлен, интенсивность их
метаболизма снижена. При повышении температуры до 38 °С, возможна
преждевременная индукция, синтеза белка или индукция белков теплового
шока, что активирует клеточные протеиназы и снижает выход белкового
продукта. Для отвода тепла используют охлаждающую рубашку.
Тщательное перемешивание культуральной среды — один из наиболее
распространенных процессов в биотехнологии. Перемешивание необходимо
для:
 равномерной доставки питательных веществ к клеткам;
 предотвращения
накопления
токсических
побочных
продуктов
метаболизма в каком-нибудь небольшом участке биореактора.
Механическое перемешивание и аэрация снабжают растущую культуру
кислородом, азотом, отводят продукты газообмена и физиологическое тепло,
выделяемое микроорганизмами в процессе биосинтеза, способствуют
гомогенизации суспензии, увеличивают скорость процессов масса- и
теплообмена.
Конструкция мешалки играет важную роль в работе биореактора. Мешалки
делят на быстро- и тихоходные. Быстроходные аппараты с большой и Средней
циркуляционной
производительностью
используют
в
препаратах
ш
отражательными перегородками; (отбойниками). Отсутствие перегородок
приводит к завихрению жидкости, снижению скорости у стенки аппарата и
образованию воронки.
Мешалки быстроходные – турбинные, пропеллерные, лопастные, дисковые.
Тихоходные – якорные, рамные, ленточные, вибрационные, скребковые;
последние для перемешивания средне- и высоковязких сред. Для глубинного
культивирования чаще всего используют турбинную мешалку с прямыми
лопастями, расположенными радиально.
Перемешивание
культуральной
среды
влияет
на
другие
параметры:
 скорость переноса кислорода из пузырьков газа в жидкую среду,
из среды – в клетки;
 эффективность теплопередачи;
 точность измерения концентрации метаболитов культуральной
жидкости;
 эффективность диспергирования добавляемых реагентов (кислот,
оснований, питательных сред и т.д.).
Следует соблюдать баланс между необходимостью тщательного
перемешивания среды и целостностью клеток, так как при чрезмерном
перемешивании в среде могут возникнуть гидромеханические эффекты,
губительные для бактериальных клеток.
Непрерывный мониторинг всех параметров, дает возможность изменять
условия в ходе ферментации. Как правило, оптимальные условия изменяются
при каждом десятикратном увеличении объема биореактора.
Методы
контроля
биомассы
и
количества
клеток
при
культивировании. Апоптоз и некроз клеток
Под
определением
биомасса
подразумевается
общая
концентрация
микроорганизмов или клеток на твёрдой или жидкой питательной среде при
культивировании. Наиболее чувствительный метод контроля биомассы —
подсчёт
клеток
е
определением
линейных
размеров
или
числа
жизнеспособных клеток (метод окрашивания) при помощи микроскопа.
Количество клеток в биомассе можно контролировать и по объёму осаждения
в центрифужных стаканчиках. Также используют косвенные методы
определения биомассы по интенсивности дыхания (изменению концентрации
СО2 инфракрасным газоанализатором) или содержанию белка (самый
чувствительный метод – бромсульфалеиновая проба, основанная на
связывании бромсульфалеина основными группами белка). Количество
микроорганизмов и клеток можно определять физико-химическими методами:
кондуктометрически
(по
удельной
электропроводимости),
спектрофотометрически, колориметрически, нефелометрически.
Таблица 1. Основные факторы среды,
биосинтетическую активность продуцентов.
определяющие
рост
и
Возможности
современных
ферментеров
для
контроля
и
управления факторами среды. Биотехнологические анализаторы
Ферментер (биореактор) занимает ключевое место в аппаратурном
оформлении биотехнологического процесса. Он представляет собой аппарат
для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов (или
культур клеток) в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного
перемешивания,
непрерывного
продувания
стерильным
воздухом
и
постоянной температуры.
Современные ферментационные аппараты позволяют контролировать и
управлять процессом культивирования клеток и добиваться высоких
результатов в получении целевого продукта. Однако даже самый современный
ферментер не позволит технологу контролировать и управлять всеми
факторами среды (см. табл. 1). Во многих случаях технолог или оператор
ферментационного отделения вынужден использовать рутинные методики для
определения, например, концентрации метаболитов или питательных веществ.
В качестве альтернативы рутинным методикам в последнее время широкое
распространение получили биотехнологические анализаторы. Их работа
основана на использовании биосенсоров, время выполнения анализа
составляет 1-2 мин.
Данные о биотехнологическом процессе, полученные с помощью
ферментера
и
биотехнологического
анализатора,
являются
мощным
инструментом для управления ферментацией в непрерывном и периодических
режимах. В таблице 2 обобщены аппаратурные методы управления факторами
среды при использовании ферментера в комплекте с анализатором. При этом
в таблице использованы данные о характеристиках анализатора Bioprfile
FLEX как самого современного и мощного биотехнологического анализатора
на настоящий момент, который способен заменить несколько отдельных
приборов или рутинных методик. Bioprofile FLEX позволяет оператору в
экспресс-режиме измерять концентрации питательных веществ, метаболитов,
осмотическое
давление,
а
также
измерять
физиологический
статус
продуцента. Кроме того анализатор может быть интегрирован в контроллер
ферментера, а управление подпиткой автоматизировано.
В многочисленных опубликованных статьях описано успешное
использование анализаторов Bioprofile или аналогов для решения задач
составления оптимальных сред, оптимизации подпитки, увеличения выхода
целевого продукта и др. Поэтому использование биотехнологических
анализаторов на производствах и в лабораториях является стандартным и
доказано эффективным.
Таблица 2. Основные факторы среды, определяющие рост и
биосинтетическую активность продуцентов, аппаратурные способы контроля
и управления ими.
Скачать