Технико-экономическая обоснованность доступности сырья

Лекция № 3.

​

Технико-экономическая обоснованность доступности сырья, технологичности промышленных штаммов микроорганизмов, целевых продуктов, асептичности и масштабирования.

By ГУЛЬНАРА ТУЛЬКЕБАЕВА

1.      Выбор сырья для биотехнологического производства.

2.      Промышленные штаммы микроорганизмов.

3.      Асептика в биотехнологических процессах.

4.      Масштабирование биотехнологических процессов.

Some text here about the topic of discussion

Выбор сырья определяется обычно двумя основными факторами:

​

​1. Особенностями культивирования того или иного продуцента. Например, дрожжи прекрасно растут на питательной среде содержащей один основной компонент (углевод, углеводород, спирт) и минимальное количество ростовых факторов (витамины, микроэлементы). Культуры растительных и животных клеток, некоторые микроорганизмы требуют наличия в питательной среде десятков, а иногда и сотен компонентов, часто весьма экзотических (экстракты из эмбрионов животных, компоненты кровяной плазмы и т.д.).

​

​2. Потребительской стоимостью и себестоимостью целевого продукта. Если речь идет о ценном лекарственном препарате со стоимостью в десятки долларов за грамм и выше, остро необходимом, то стоимость сырья не имеет решающего значения. Если речь идет о крупнотоннажном производстве дешевых продуктов (этанол, глицерин, органические кислоты, витамины и др.), то стоимость сырья играет зачастую решающую роль в рентабельности того или иного производства.

​Растительная биомасса представляет собой достаточно хорошо утилизируемые источники углерода для биотехнологических целей. На основе этих источников основано давно существующее производство алкоголя из зерна и крахмалсодержащих корнеплодов. Растительные источники могут рассматриваться как практически неистощаемые.

​

​ Наиболее подходящим и доступным, чтобы служить питательным субстратом для биотехнологических процессов, является сырье, используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный тростник. Однако в настоящее время в мире традиционное использование сахара постепенно снижается, и он заменяется более эффективными подсластителями. Складывающаяся ситуация на мировом сахарном рынке будет способствовать поискам его нового применения, так как многие страны тропических областей испытают существенные экономические трудности, если исчезнет сахарный рынок. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской «топливной» программы (производство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания и в первую очередь для автомобилей, поскольку они меньше загрязняют атмосферу). Бразильский пример быстро убеждает многие другие страны в перспективности такой новой технологии.

​Существенную значимость представляют крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие, как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем ферментативного или химического гидролиза. Тем не менее, в настоящее время с определенным успехом разрабатываются перспективные биотехнологические процессы, основанные на использовании данного полисахарида.

​

Половину сухой растительной биомассы как сельскохозяйственного, так и «лесного» происхождения составляет один из самых распространенных биополимеров – полисахарид целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода. Почти не вызывает ни у кого сомнения, что целлюлоза должна рассматриваться в качестве основного питательного сырья для биотехнологических процессов.  Однако необходимым условием подготовки данного материала к использованию в качестве биотехнологического сырья является ее гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы).

​

​

​Дело в том, что сама чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем химического или ферментативного гидролиза до растворимых сахаров, которые затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию) микроорганизмами с образованием этанола, бутанола, ацетона, одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. За год в процессе фотосинтеза на Земле образуется 22 миллиарда тонн целлюлозы, или 24 тонны на человека. Таким образом, целлюлоза может служить неисчерпаемым источником технической глюкозы. Однако практически во всех растениях целлюлоза находится в виде комплекса с гемицеллюлозой и лигнином, что и обеспечивает твердость древесины. Если гемицеллюлоза, состоящая в основном из моносахарида ксилозы с примесью арабинозы и глюкоуроновой кислоты легко подвергается гидролизу и то же может служить источником моносахаридов (отходы целлюлозно-бумажной промышленности), то лигнин, представляющий собой биополимер нерегулярного, трудно определяемого состава, состоящий из молекул многоосновных фенолов с неорганическими включениями, практически не подвержен гидролизу в тех же условиях. Смолообразные продукты, содержащие лигнин и продукты его частичного разложения, загрязняют аппаратуру, забивают трубопроводы, обволакивая частицы целлюлозы тормозят их гидролиз, отравляют растворы моносахаридов. Проблемой очистки от лигнина и его переработки ученые разных стран занимаются уже более ста лет, однако проблема по-прежнему далека от решения. Поэтому растворы моносахаридов, получаемые гидролизом целлюлозосодержащего растительного сырья, даже после сложной, многоступенчатой очистки используют обычно для получения непищевых, технических продуктов (этиловый спирт”гидролизный”-“гидрашка”, кормовые дрожжи, органические кислоты).

​ Другим доступным источником углерода и энергии являются некоторые компоненты нефти и газа. Наилучшим субстратом из компонентов нефти являются н-алканы или парафины (особенно жидкие) с числом углеродных атомов от 10 до 20. Их могут утилизировать большинство бактерий и дрожжи. Эти соединения являются компонентами фракции дизельного топлива (солярки), получаемой при перегонке нефти. Поскольку н-алканы имеют высокую температуру замерзания, то их присутствие в дизтопливе нежелательно, и для получения топлива высокого качества проводят процесс депарафинизации. Одним из направлений утилизации получаемых н-парафинов может быть использование их в качестве субстрата для микробиологических производств.

​ Другими перспективными источниками углеводородсодержащего сырья могут служить синтетический этанол, получаемый каталитической гидратацией этилена (категорически запрещен для использования в пищевых продуктах и лекарствах), синтетический метанол, а так же природный газ, очищенный от органических соединений серы (сульфидов, меркаптанов). 

​

Однако и нефть, и газ должны рано или поздно истощиться. Поэтому биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья. Помимо растительной биомассы другим неисчерпаемым источником дешевого сырья для биотехнологических производств могут служить различные отходы сельского хозяйства (отруби, шелуха семян, жмыхи, кочерыжки, кукурузные початки и др.), пищевой промышленности (меласса-маточник после кристаллизации упаренного раствора сахара, молочная сыворотка), целлюлозно-бумажного производства (варочные щелока, получаемые при термической обработке древесины слабыми растворами сернистой и серной кислот). Даже некоторые отходы одних биотехнологических производств могут служить прекрасным сырьем для других. Так спиртовая барда, остающаяся после отгонки спирта из бражки используется для микробиологического производства некоторых витаминов (В₁₂).

​ Приготовление питательных сред для ферментационных процессов обычно рассматривается как мало интересная часть общей задачи, но фактически оно является краеугольным камнем, обеспечивающим успех всех последующих этапов. Среды неподходящего состава обусловят низкий уровень ростовых процессов и, следовательно, низкий уровень выхода целевого продукта. Поэтому рассмотрим основные моменты, связанные с этим процессом.

Жидкие компоненты питательных сред (кукурузный экстракт,  патоку, мелассу, гидрол, растительные масла, рыбий жир) доставляют на производство в железнодорожных цистернах и хранят в специальных сборниках на складах заводов и транспортируют по коммуникациям с помощью вакуума, сжатого воздуха или перекачивают насосами. Дозировку жидких компонентов осуществляют по массе или по объему в соответствии с прописью среды и контрольными показателями каждой партии этого нестандартного вида сырья.

Сыпучие компоненты сред из транспортной тары забирают или  в специальные бункеры или хранят на складах в исходной упаковке. Для транспортировки сыпучих компонентов используют ленточные и винтовые конвейеры, элеваторы, пневматический транспорт.

Жидкие питательные среды приготовляют в аппаратах-смесителях  с мешалкой, куда загружают отдельные компоненты в опре­деленной последо-вательности, установленной по регламенту.

​Приготовление сложных комплексных сред, в состав которых, кроме минеральных компонентов и сахаров, входит мука, крахмал, кукурузный экстракт, проводят в нескольких смесителях. Куку­рузный экстракт обычно кипятят с мелом для нейтрализации содержащихся в нем аминокислот и органических кислот. Муку, крахмал предварительно заваривают и тщательно перемешивают, чтобы не допустить образования крупных комков, которые могут быть причиной нестерильных операций, поэтому реакторы должны быть снабжены барботерами для подачи пара.

Часто для снижения вязкости питательной среды, содержащей достаточно большую концентрацию кукурузной муки или крахмала проводят их частичный гидролиз амилолитическим ферментом - оризином (продуцент - Aspergillusoryzae) с последующей его инактивавацией нагреванием. 

Растворы сахаров, нуждающиеся в более щадящих режимах  стерилизации, рекомендуют готовить и стерилизовать отдельно, смешивая с основной средой только в ферментаторе.

Некоторые виды сырья, например,  соевая мука, вызывают повышенное вспенивание среды, поэтому для снижения пенообразования при стерилизации в такие среды добавляют жир в качестве пеногасителя. Подобная мера вызвана технологической  необходимостью, в принципе, добавление жира в среду повышает (устойчивость спор к тепловому воздействию и поэтому крайне  нежелательно. Все жировые компоненты сред необходимо стерилизовать отдельно. Для этого, как правило, предварительно готовят  водно-масляную или водно-жировую эмульсию с хозяйственным  мылом, повышающим ее стойкость.

​Качество используемой воды зависит от назначения питательной среды.

Чаще всего применяют артезианскую, реже - водо­проводную воду. В крупнотоннажных производствах кормовых дрожжей и белкововитаминных концентратов (БВК) используют воду, полученную по замкнутому циклу этого производства, то есть  прошедшую очистные сооружения. В производстве кровезамени­телей используют только апирогенную воду (бидистиллят).