Биотехнологический процесс

Курский государственный медицинский университет

Фармацевтический факультет

Заочное отделение

Кафедра фармацевтической технологии


Контрольная работа по биотехнологии

Вариант № 56


23. Характеристика биотехнологического (БТ) процесса в зависимости от получаемого целевого продукта, от механизма образования конечного продукта, от условий проведения процесса. Примеры


Важной задачей в создании любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него.

При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенные отличия от химических, поскольку в биотехнологии используют более сложную организацию материи - биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) - это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков - возрасту, физиологической активности, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет 10-4-10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью среды.

В основу подразделения биотехнологических процессов могут быть положены различные принципы, например, оценка принадлежности объектов к надцарствам живых существ, функциональной активности биообъекта, возможности вычленения отдельных этапов из биотехнологических схем производства в виде самостоятельных процессов: выделение, очистка и упаковка готового продукта и т.д. (табл. 1).

Биотехнологические процессы условно можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые - на использовании ферментов и третьи - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным (получение аминокислот и др.) или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.).


Таблица 1. Систематизация биотехнологических процессов


По механизму образования конечного продукта БТ процессы дифференцируются на:

- биосинтез - конститутивное или адаптивное образование метаболитов (преметаболиты, первичные или вторичные) - этим способом получают основную массу БАВ;

биотрансформация - видоизменения какой-либо молекулы, превращение одного продукта в другой. Такой процесс имеет место при получении стероидных гормонов, фитобиотехнологическом процессе получения дигоксина;

мутасинтез - процесс образования полусинтетических метаболитов при включении в клеточный метаболизм аналогов предшественников. Подобный процесс находит свое применение при получении антибиотиков. Пример применения мутасинтеза при производстве антибиотиков. Продуцент-микроорганизм, который синтезирует определенный антибиотик, подвергают селекции методом мутагенеза или рекомбиногенеза. В результате получают мутант, который теряет способность синтезировать один или несколько фрагментов антибиотика. Измененный продуцент синтезирует антибиотики только при внесении в среду недостающего фрагмента-предшественника, получаемого путем химического синтеза. Если в среду добавить предшественник с несколько различающейся структурой, то продуцент синтезирует новый антибиотик. Мутасинтез лежит в основе получения новых полусинтетических аминогликозидных антибиотиков;

сочетание биосинтеза, биотрансформации и органического синтеза. Такое сочетание БТ процессов находит свое применение при производстве полусинтетических антибиотиков.

В зависимости от условий проведения БТ процессов их разделяют на: стерильные и нестерильные; аэробные и анаэробные; поверхностные и глубинные; периодические, полупериодические, непрерывные, отъемно-доливные и многоциклические; одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые.

Нестерильные БТ процессы протекают в природе самопроизвольно или могут использоваться в промышленных условиях при крупнотоннажном производстве кормовых дрожжей. Все БТ процессы, связанные с получением БАВ, лекарственных препаратов, ферментов, витаминов, антибиотиков, продуктов питания, лечебных, диагностических и профилактических средств являются стерильными.

БТ процессы, протекающие с подачей стерильного фильтрованного воздуха или кислорода являются аэробными - это практически все промышленные БТ процессы. Но получение некоторых БАВ (декстрана, витамина В12) требует полное отсутствие воздуха - это анаэробные БТ процессы.

Поверхностный БТ процесс. При поверхностной ферментации биообъект может расти на жидкой, твердой, сыпучей или пастообразной питательной среды. Рост биообъекта происходит на поверхности и в порах твердых частиц среды. Процесс культивирования требует больших площадей, также возникают трудности в создании асептических условий, поддержании постоянной температуры во всей ферментационной среде и в отводе тепла. Выход продукта биосинтеза невелик. Выросшая в неподвижном слое культура представляет собой корж из набухших частиц среды, плотно связанных сросшимся мицелием. Полученный корж дробят, сушат, затем измельчают и передают на дальнейшую обработку. При поверхностном культивировании на жидкой питательной среде биообъект также растет на поверхности среды в виде тонкой пленки, но образующееся БАВ распределяется по всему объему субстрата. Однако выход целевого продукта также очень мал.

Глубинный БТ процесс. Данный метод более совершенен, легко подвергается механизации и является основным промышленным методом культивирования или ферментации. Процесс культивирования осуществляется в жидкой питательной среде, в биореакторах объемом до 100м3. Перед заполнением реактор-ферментатор стерилизуют горячим паром под давлением. Затем заполняют охлажденной питательной средой. Посевной материал вносят в количестве от 5 до 20% от объема используемой среды. И проводят процесс ферментации до накопления максимального количества полезного продукта в среднем от 2-х до 4-х суток. При глубинном БТ процессе биообъект растет во всем объеме питательной среды при работающих мешалках и барботировании кислорода через всю толщу реактора. Это делает процесс высокоэффективным. Накапливается большое количество целевого продукта.

Периодический БТ процесс достаточно прост и довольно часто употребляем. Однако его нельзя считать оптимальным. При периодическом процессе единовременно загружают в реактор все компоненты питательной среды и посевной материал. Затем совершается полный цикл ферментации. Таким образом какой-либо коррекции условий биосинтеза во время ферментационного цикла не выполняется: нет ни постоянного 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 (регулярный) процесс по сравнению с периодическим более прогрессивен. Улучшаются рост продуцента и биосинтез целевого продукта, появляются возможности коррекции процесса при его отклонениях от оптимальных условий.

Непрерывный процесс ферментации заключается в том, что из реактора 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 БТ 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 ферментации при сливе культуральной жидкости в аппарате оставляют ее примерно 10%, затем в реактор вносят 90% свежей питательной среды, и начинается новый процесс ферментации. Для этого процесса не нужно выращивание нового посевного материала, подготовки и стерилизации реактора и трубопроводов.

Одноступенчатые БТ процессы - это процессы, при проведении которых получают целевой продукт непосредственно из биообъекта.

Двухступенчатые БТ процессы - это постепенное наращивание биообъекта в возрастающем количестве на питательной среде и перенос его в другой биореактор для биосинтеза целевого продукта.

Многоступенчатые БТ процессы - это процессы генной инженерии (рДНК биотехнология), связанные с конструированием биообъекта и использованием его в дальнейшем как продуцента БАВ.

В общем виде любой биотехнологический процесс включает 3 основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена схемой, в которой сделана попытка отразить все варианты ферментационных процессов (рис. 1).


Рис. 1. Обобщенная схема процессов в биотехнологии

34. Локализация целевого продукта. Выбор способа разделения в зависимости от локализации целевого продукта. Специфические особенности первых стадий разделения. Седиментация и фильтрование биомассы. Интенсификация процесса. Используемая аппаратура

биотехнологический продукт разделение целевой

В процессе культивирования биообъекта накапливается целевой продукт (биологически-активные вещества - БАВ). Целевой продукт может накапливаться (локализоваться) внутри клеток-продуцентов (внутриклеточные БАВ), или в культуральной жидкости (внеклеточные БАВ), или же целевым продуктом может быть сама клеточная масса биообъекта-продуцента.

В зависимости от того, где накапливается целевой продукт, будет зависеть выбор способа выделения БАВ. Процесс выделения целевого продукта, полученного в результате жизнедеятельности биообъекта - это сложный и многостадийный процесс.

Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках-продуцентах. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить (дезинтеграция) и далее целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток. Выделение целевого продукта облегчается, в том случае, если он находится в культуральной жидкости. Поэтому в настоящее время стремятся получить методами генной инженерии промышленные штаммы микроорганизмов, секретирующих целевой продукт в культуральную жидкость.

Первым этапом на пути выделения и очистки целевого продукта является разделение содержимого биореактора на культуральную жидкость и биомассу клеток. Данный процесс носит название сепарация. Для более эффективного отделения биомассы клеток и стабилизации продуктов метаболизма биообъекта сепарации предшествует специальная обработка содержимого биореактора - изменение значения рН, нагревание, добавление коагулянтов или флокулянтов. К методам сепарации относят седиментацию, фильтрование и центрифугирование.

Седиментация или флотация - это осаждение частиц под действие силы тяжести или за счет агрегации, т.е. собирание в более крупные частицы.

Седиментацию используют в качестве метода разделения, если диаметр осаждения частиц более трех микрометров, продукты достаточно стабильны (продолжительность процесса не оказывает существенного влияния на инактивацию). Скорость осаждения частиц очень незначительна (10-6 и 10-7 м/с). Для ускорения процесса добавляют специальные вещества коагулянты (казеин, желатин), способствующие агрегации и осаждению частиц. Производительность процесса осаждения (y) м3/с зависит от скорости и площади.

Флотация используется в том случае, если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости или всплывают в результате предварительной обработки.

Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками. Повышение эффективности отбора биомассы в виде концентрированной суспензии достигается вспениванием жидкости с последующим отделением ее верхнего слоя. К достоинствам метода относятся экономичность, высокая производительность, возможность применения в условиях непрерывного процесса.

Фильтрация - разделение твердой и жидкой фаз суспензии при пропускании ее через пористую перегородку. Жидкость вступает в контакт с поверхностью фильтра и под действием разности давлений жидкая среда проходит через поры и собирается в виде фильтрата, а твердые частицы задерживаются. В зависимости от свойств перегородки и взвесей различают задерживание частиц в глубине или на поверхности фильтрующего материала.

Процесс задерживания частиц в глубине сопровождается механическим задерживанием твердых частиц суспензии в толще капиллярно-пористого материала перегородки, а также за счет адсорбции и электрокинетического взаимодействия, что постепенно приводит к закупориванию пор. Этот способ применяют для малоконцентрированных взвесей (менее 1%).

Процесс задерживания частиц на поверхности происходит с образованием осадка на поверхности перегородки, который является дополнительным фильтрующим слоем и постепенно увеличивает общее гидравлическое сопротивление продвижению жидкости. Роль перегородки состоит в механическом задерживании частиц. Этот способ используется для фильтрования взвесей с содержанием твердой фазы более 1%.

Для увеличения поверхности адсорбции и электростатического взаимодействия при фильтровании добавляют вспомогательные вещества в количестве от 0,1 до 2%. В качестве таких веществ используют глину белую, уголь активированный, кизельгур и т.д.

В биотехнологическом производстве применяют следующие виды фильтров: барабанные; дисковые; ленточные; тарельчатые; карусельные вакуум-фильтры; фильтры-прессы; мембранные.

Диаметр пор в указанных фильтрах может превышать размер клеток, что практически не снижает эффективность фильтрации. Первая порция биомассы может проскочить через фильтр, но в дальнейшем по мере прохождения жидкости диаметр капиллярных каналов сужается из-за прилипания частиц к стенкам. При этом образуются скопления клеток у фильтрующей поверхности, препятствующие прохождению новых порций биомассы через фильтр. По мере утолщения слоя биомассы на фильтре скорость протока через него падает.

Поэтому для поддержания непрерывной работы фильтров предусмотрены системы автоматического удаления слоя биомассы, забивающего поры. Биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом, удаляют с помощью специальных вибраторов или срезают специальным ножом. Ножи в зависимости от конструкции фильтра могут быть в виде широкой полосы вдоль поверхности фильтра, замкнутого «бесконечного» шнура (струны), огибающего барабан и др.

Средняя скорость фильтрования культуральной жидкости изменяется в пределах от 10 до 2000 л/м2·ч. В основном при фильтровании культуральных жидкостей образуются студенистые, хлопьевидные или мелкозернистые осадки, которые плохо фильтруются.

Для увеличения скорости фильтрования используют два приема: предварительная обработка культуральной жидкости с целью коагуляции; и применение вспомогательных фильтровальных материалов.

Предварительная обработка культуральной жидкости позволяет - более полно перевести целевой продукт в жидкую или твердую фазу - обеспечить лучшее разделение фаз - получить продукт, пригодный для дальнейшей очистки и выделения. Коагуляцию можно провести с помощью кислоты (используется при выделении антибиотиков, устойчивых при рН меньше 7 - стрептомицин, тетрациклин), введением электролитов (сернокислых солей) и температурным воздействием (для термостойких целевых продуктов при температуре 70-80°С).

Второе направление ускорения процесса фильтрования - применение фильтровальных порошков (вспомогательных фильтровальных материалов - ВФМ). Такие порошки вносят в фильтруемую жидкость как наполнители или предварительно наносят на рабочую поверхность фильтра в виде грунта. ВФМ могут изготавливаться из: диатомита, инфузорной земли (кремнистые панцири микроскопических водорослей), перлит, получаемый из горной породы - вулканического стекла. ВФМ имеют разную степень дисперсности. Грунтовой слой из ВФМ наносят на фильтровальную перегородку (ткань), что предохраняет ее поры от закупоривания и увеличивает скорость фильтрования и облегчает последующую регенерацию фильтровальной ткани. Толщина грунтового слоя должна обеспечивать полную задержку взвешенных частиц в фильтруемой суспензии.

ВФМ могут вноситься в фильтруемую жидкость до начала фильтрования. В результате взаимодействия фильтрующих порошков с частицами твердой фазы происходит изменение структуры осадка, ведущее к уменьшению его сопротивления при фильтровании. По мере накопления осадка его удаляют одним из способов указанных ранее.

Примеры фильтрующих устройств.

Барабанный вакуум-фильтр - представляет собой полый цилиндр, погруженный в культуральную жидкость. Внутренний объем барабана отделен от жидкости фильтрующим мелкопористым материалом. Ток жидкости через фильтрующий слой создается путем откачивания воздуха изнутри барабана вакуумным насосом.

Рамный фильтр-пресс - это фильтр периодического действия с ручной выгрузкой осадка. Состоит из набора чередующихся плит и рам, между которыми размещены тканевые фильтровальные перегородки. Фильтр-пресс требует больших затрат ручного труда, скорость фильтрования небольшая, отсутствует регенерация фильтрующего материала. Несмотря на перечисленные недостатки этот фильтр-пресс применяется очень широко, так как компактен и дает высокую степень осветления суспензий.

Листовой фильтр состоит из жесткого каркаса с плоскими фильтрующими элементами. Пакет таких элементов помещается в кожух. Фильтрование осуществляется под давлением. Осадок, образующийся на наружной поверхности фильтрующих элементов, удаляется с помощью сжатого воздуха или пара.

В некоторых конструкциях предусмотрена возможность выдвижения пакета фильтрующих элементов из кожуха и снятие осадка ножами или специальными вибраторами.


. Выделение, очистка и сушка антибиотиков. Стандартизация готовых лекарственных препаратов


После процесса ферментации необходимо выделить и очистить антибиотик. Этот процесс непрост, т.к. антибиотик может содержаться не только в культуральной жидкости, но и в мицелии, а сама культуральная жидкость может быть очень вязкой, что также затруднит процесс выделения.

Весь процесс выделения и очистки можно схематично представить таким образом (хотя выделение и очистка каждого конкретного антибиотика могут иметь свои особенности):

отделение коллоидной формы культуральной жидкости и суспензии мицелия от растворенного антибиотика. Здесь также необходимо учитывать то, что часть антибиотика может находиться в мицелии и его необходимо перевести в водную фазу или то, что антибиотик, связанный с мицелием и растворенный, соединяют вместе в осадке и затем проводят экстракцию. На данном этапе используют методы фильтрования, центрифугирования, а в качестве аппаратуры используют фильтр-прессы, вакуум-фильтры, сепараторы и др.

получение антибиотика в виде индивидуального вещества. Для этого довольно часто применяют экстрагирование органическим растворителем (пенициллин, эритромицин и др.). В результате имеет место освобождение от многих примесей. Изменяя значения рН, изменяют растворимость антибиотика в воде, переводят его из одного состояния в другое, освобождаясь при этом от ряда примесей. Очистку можно проводить и с помощью сорбционных методов. Например, используют ионообменные смолы (аминогликозидные антибиотики). Кроме того, можно использовать мембранную технологию. В результате получают антибиотик технически чистый, который подвергают повторной очистки сорбцией, мембранными методами, перекристаллизацией и т.д.

Для обезвоживания препаратов антибиотиков проводят процесс сушки. Методы: лиофильная сушка или сушка распылением. Сушка распылением проводится в специальных распылительных сушилках. Раствор антибиотика подается в распылительное устройство и выбрасывается в виде мельчайших капелек из форсунки в сушильную камеру, где и высушивается в течение долей секунды при 150-2000С. Лиофильная сушка заключается в высушивании замороженного материала под вакуумом. Для ее проведения используют специальные сублимационные сушилки. В результате получают сухую пористую массу, не содержащую свободную воду, но сохраняет объем и структуру исходного вещества.

Стандартизацию готовых препаратов проводят по следующим показателям: биологическая активность, стерильность, токсичность, пирогенность, терапевтическое действие и фармакологическое.


Литература


1. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. - М.: Наука, 2004.

. Биотехнология: Учебное пособие для студентов вузов / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева // Под ред. А.В. Катлинского. - М.: Академия, 2006.

. Елинов Н.П. Основы биотехнологии.- СПб.: Наука, 1995.

. Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие / Т.П. Прищеп, В.С. Чучалин, К.Л. Зайков и др. - Ростов н/Д: Феникс, 2006.

. Виестур У.Е., Шмите И.А., Жилевич А.В. Биотехнология. «Биологические агенты, технология, аппаратура». - Рига: Зинатне, 1987.


Теги: Биотехнологический процесс  Контрольная работа  Биология
Просмотров: 17359
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Биотехнологический процесс
Назад