Применение биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
Рассматривая Примеры, Иллюстрирующие Степень Сложности Процес...
Рассматривая примеры, иллюстрирующие степень сложности процессов катализа с участием иммобилизованных клеток, мы начнем с самого простого случая и постепенно будем переходить ко все более и более сложным случаям. Путем иммобилизации целых клеток, предварительно обработанных с целью повышения их проницаемости литическими ферментами, спиртами или диметилсульфоксидом (ДМСО), мы, по сути дела, иммобилизуем входящие в их состав индивидуальные ферменты, в той или иной мере сохраняя их естественное окружение; такие катализаторы в принципе пригодны для использования в непрерывных процессах. К настоящему времени получено большое число катализаторов типа «иммобилизованные ферменты в
РИС. 9.28. Инактивация аспартазы и фумаразы в суспендированных и иммобилизованных клетках. (Воспроизведено с разрешения из работы: Immobilized Enzymes, Chibata I. (ed.), p. 140, Kodansha Ltd., Tokyo, 1978.)
иммобилизованных клетках»; некоторые из этих катализаторов нашли применение в промышленности. Такой подход к иммобилизации ферментов проще, чем выделение ферментов из клеток с последующей иммобилизацией. С точки зрения практического использования, по-видимому, важнее другое преимущество иммобилизованных клеток, заключающееся в возможном повышении стабильности ферментов.
На рис. 9.28 представлены результаты экспериментов по изучению инактивации аспартазы и фумаразы в иммобилизованных клетках Е. coli и в суспендированных интактных клетках того же организма. В иммобилизованных клетках инактивация как первого, так и второго ферментов происходит значительно медленнее. Возможно, что отчасти эта стабильность является кажущейся и обусловлена ограничениями ферментативных процессов за счет сопротивления массопереносу (см. разд. 4.4). Действительно, если катализатор на основе иммобилизованных клеток (или ферментов) функционирует в режиме, строго лимитируемом диффузией, то наблюдаемая скорость инактивации будет значительно ниже действительной скорости этого процесса. Однако в дальнейших экспериментах Шибата и др. показали, что в данном конкретном случае имеет место истинная стабилизация фермента вследствие его включения в нативное клеточное окружение. Интактные клетки Е. coli были обработаны ультразвуком, затем растворимая и нерастворимая фракции продуктов обработки были разделены и иммобилизованы. В иммобилизованной растворимой фракции аспартазная активность снижалась значительно быстрее, чем в иммобилизованной нерастворимой фракции. Кроме того, обработкой интактных клеток агентами, солюбилизирующими связанные с мембранами белки (дезоксихолатом или тритоном Х-100), также были получены растворимая и нерастворимая фракции, которые после иммобилизации быстро теряли активность. Эти результаты свидетельствуют о возможности стабилизации аспартазы путем связывания или ассоциации с клеточными мембранами или с их компонентами. Следует отметить, однако, что в других случаях иммобилизация ферментов в интактных клетках сопровождается и обратным эффектом. Так, в проницаемых иммобилизованных клетках некоторых организмов глюкозоизомераза теряет активность быстрее, чем тот же самый фермент, выделенный из этих клеток. Этот эффект объясняли протеолизом фермента под действием внутриклеточных ферментов.
Проблема внутриклеточной протеолитической активности очень важна при любом применении иммобилизованных клеток. Как мы упоминали в гл. 6, для нормальной жизнедеятельности клеткам необходимы внутриклеточные гидролазы. Очевидно, что потеря ферментативной активности в результате внутриклеточного гидролиза, а также разрушение клеточной мембраны или утрата клеткой способности транспортировать вещества за счет какого-либо другого процесса играют основную роль в определении полезного времени жизни катализатора на основе иммобилизованных клеток. Для оптимизации генетической природы клеток и разработки более совершенных катализаторов на основе иммобилизованных клеток, соответствующих конструкций реакторов и оптимальных режимов их эксплуатации, очевидно, необходимо лучше понимать механизмы процессов внутриклеточного гидролиза, а также других процессов инактивации, связанных с изменением конформаций белковых молекул или с повреждением мембран вследствие химического взаимодействия с компонентами среды. Действительно, на разработку штаммов микроорганизмов, успешно применяюш.ихся в настоящее время в культурах суспензий клеток, были затрачены десятилетия; в этой связи представляется вполне вероятным, что для получения генетически модифицированных штаммов, специально предназначенных для их использования в иммобилизованной форме, потребуются еще очень большие усилия.
Следующий по степени сложности уровень каталитической активности включает многостадийные превращения, связанные с использованием и регенерацией кофакторов. Из процессов такого типа наиболее широко изучалось превращение глюкозы в анаэробных условиях. Много работ посвящено изучению превращения глюкозы в этанол иммобилизованными дрожжами (Saccharomyces cerevisiae) или бактериями (в первую очередь Zymomonas mobilis); по меньшей мере один процесс с участием биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток реализован на пилотной установке [34].
Изучению превращения глюкозы в этанол при участии иммобилизованных клеток предшествовали работы по исследованию непрерывных процессов пивоварения в присутствии склонных к флокуляции штаммов дрожжей; по сути дела, флокуляция обеспечивает достаточно эффективное удерживание (иммобилизацию) клеток в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора (разд. 9.6.4). Позднее дрожжи иммобилизовали путем адсорбции на желатиновой пленке и включения в n-каррагинан, альгинат или полиакриламид. Показано, что для реактора колонного типа с клетками Saccharomyces carlsbergensis, иммобилизованными в х-каррагинане, характерен стартовый период с неустановившимся режимом, продолжающийся около 7 сут, после чего колонна функционирует в стационарном режиме с постоянными концентрациями жизнеспособных клеток в геле, а также глюкозы и этанола в продуктах процесса. После ряда конструкционных доработок концентрацию этанола в продуктах процесса удалось довести до 100 г/л и более.
Японская компания Kyowa Накко Kogyo Company сообщила о создании пилотной установки для производства этанола с помощью иммобилизованных дрожжей в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора (разд. 9.6.4). Схема этой установки представлена на рис. 9.29. После трехмесячных испытаний удалось найти режим, при котором разбавленная меласса сахарного тростника (содержащая 14% глюкозы) при 30 °C превращалась в 8,5%-ный (по объему) водный этанол с объемнойскоростью [(объем раствора исходных веществ) · (объем геля)-1·ч-1] от 0,4 до 0,5 ч-1. Степень превращения сахара в этанол составляла 95%, а производительность установки в расчете на единицу объема колонны 20 г/ (л·ч).
Более сложен процесс превращения глюкозы в ацетон, бутанол и этанол с помощью бактерии Clostridium acetobutylicum и родственных организмов. Пути катаболизма в этой бактерии
контролируются сложной регуляторной системой, которая до настоящего времени детально не изучена, несмотря на большой практический опыт по применению этого организма в традиционных ферментациях с участием суспендированных культур.
РИС. 9.29. Схема установки для производства этанола с помощью иммобилизованных дрожжей [34].
В зависимости от состава и условий среды и состояния клеток в одних случаях основными конечными продуктами метаболизма глюкозы могут быть органические кислоты, а в других образуются необходимые органические растворители. По сравнению с катализируемым дрожжами превращением глюкозы в этанол эта система значительно сложнее, поскольку здесь мы должны уметь регулировать селективность процесса, направляя его в сторону образования ценных веществ.
Возможность практической реализации непрерывного длительного процесса биопревращения глюкозы в органические растворители была продемонстрирована Фёрбергом и др. [35]. В разработанном ими процессе катализатором служил организм Cl. acetobutylicum, включенный в гель на основе альгината кальция, а глюкозная среда была лишена факторов, необходимых для клеточного роста. Время от времени, сначала с интервалом 2—4 ч, а затем через каждые 8 ч в культуру вводили полную питательную среду, что позволяло регенерировать частично инактивированный катализатор. Сообщалось, что в таком режиме, сочетающем не связанное с клеточным ростом многостадийное биологическое превращение с короткими периодами
Таблица 9.9. Выход бутанола в расчете на единицу клеточной массы, массы субстрата или объема культуры с участием иммобилизованныха и суспендированныха клеток
полного клеточного роста, система устойчиво функционировала в течение 8 недель. В этом процессе существенно подавлялось образование биомассы, а выход бутанола в расчете на единицу массы утилизированной глюкозы был значительно выше, чем в процессе, в котором иммобилизованные клетки контактировали с полной средой. В табл. 9.9 сравниваются важнейшие параметры процессов с использованием иммобилизованных клеток в полной среде, иммобилизованных клеток с чередованием сред (обеспечивающих только клеточный рост или только превращение субстрата), а также обычного периодического процесса с суспензией бактерий.
Очевидно, что для дальнейшего совершенствования катализаторов на основе иммобилизованных клеток необходимы фундаментальные исследования и проектные разработки. Вместе с тем приведенный пример достаточно наглядно свидетельствует о возможности изменения кинетики и стехиометрии процесса путем подбора типа катализатора и соответствующего режима; этот путь создает дополнительные возможности для управления биокаталитическими процессами и их оптимизации.
В связи с рассмотренными примерами целесообразно изучить и интересную проблему переноса газов в иммобилизованных клеточных катализаторах и реакторах с такими катализаторами. Здесь мы рассмотрим только частную проблему массопереноса в самом биокатализаторе. Допустим, что стехиометрию данного биопревращения можно описать уравнением простой химической реакции и что перенос субстрата S и продукта процесса Р в частицы катализатора и из них характеризуется коэффициентами эффективной диффузии Ds и Dp соответственно. С помощью основных уравнений материальных балансов и граничных условий на частице катализатора нетрудно показать, что концентрации продукта процесса cр и субстрата cs внутри катализатора связаны уравнением
(9.113)
в котором α обозначает число молей продукта, образующегося из 1 моля утилизированного субстрата, а подстрочный индекс 0 указывает на условия на наружной границе (поверхности) частицы катализатора. Подставив в уравнение (9.113) cs = 0 и решив полученное уравнение, можно оценить максимальную для данного катализатора концентрацию продукта, основываясь только на данных о стехиометрии и массопереносе. Если в системе происходит поглощение и образование газов, это простое уравнение позволяет сделать важные выводы. Предположим сначала, что субстрат представляет собой ограниченно растворимый газ, например кислород. Тогда из уравнения (9.113) следует, что в результате реакции с одной частицей катализатора произойдет лищь незначительное повыщение концентрации продукта. Если мы далее рассмотрим другой вариант, когда в биокаталитическом процессе образуется умеренно растворимый газ, например СО2, и когда используется хорошо растворимый субстрат, например глюкоза, то, очевидно, может наступить такой момент, когда концентрация СО2 в катализаторе превысит уровень насыщения, что приведет к зарождению и росту газовых пузырьков внутри частицы катализатора. Сообщалось, что такое явление вызывает серьезные затруднения в работе реакторов с иммобилизованными клетками, так как газовые пузырьки механически разрывают частицы носителей с включенными клетками, продуцирующими СО2, или патроны с дрожжевыми клетками, иммобилизованные в полых волокнах.
Итак, мы сталкиваемся с определенными трудностями как при получении продукта из малорастворимых субстратов, так и при выведении из катализатора малорастворимых продуктов.Очевидно, эти трудности можно преодолеть путем снижения толщины частиц катализатора. Тогда отпадет необходимость в использовании неэффективной внутренней зоны частиц в случае ограниченно растворимого газа-субстрата, а ограниченно растворимые продукты не будут в избытке образовываться внутри частицы катализатора. В свою очередь для снижения толщины катализатора нужно или уменьшить размер частиц, или использовать катализаторы с тонким слоем клеток, иммобилизованных путем включения или связывания на наружной поверхности большей частицы или иного объекта, которые бы удерживали клетки в реакторе. Выполнение требований, предъявляемых к вводу и выводу ограниченно растворимых соединений, является одним из основных условий при проектировании всего процесса и соответствующего реактора.
Интересно отметить, что, как было обнаружено экспериментально, процессы получения этанола из глюкозы с помощью иммобилизованных или суспендированных дрожжей в сходных условиях имеют различные общие скорости. В некоторых из этих экспериментов, возможно, существенный вклад в общую скорость процесса вносили диффузионные ограничения и связанные с ними эффекты; вместе с тем в тщательно контролируемых идентичных условиях и в отсутствие ограничений массопереносу наблюдалось обусловленное иммобилизацией клеток повышение удельной скорости образования этанола на 30—50%. Высказывалось предположение, что причиной этого явления может быть или локальное изменение активности воды, вызванное матрицейносителем или ее поверхностью, или изменение химического микроокружения носителя, рассмотренное ранее.
В общем случае нас не должно удивлять существенное изменение метаболической активности клеток, обусловленное их необычным окружением в иммобилизованном состоянии. Связывание или сцепление клетки с твердой поверхностью может узнаваться специфическими клеточными рецепторами, влияющими на метаболические функции клетки. Точно так же нарушение нормального морфологического развития клетки вследствие ее связывания в нескольких точках с твердой поверхностью, влияния полых волокон, в которые включены клетки, или межклеточных контактов может обусловливать заметное изменение картины метаболизма клетки, которое не наблюдается в относительно неконцентрированных суспензиях. Кроме того, в плотных скоплениях иммобилизованных клеток некоторые секретируемые клетками продукты жизнедеятельности могут накапливаться в значительно более высоких по сравнению с суспензиями концентрациях. Наконец, можно достаточно обоснованно ожидать, что каталитические свойства относительно независимо развивающихся клеток и катализатора на основе иммобилизованных клеток, который по клеточной плотности ближе к тканевым препаратам, будут заметно различаться. Следовательно, применению катализаторов на основе иммобилизованных клеток должно предшествовать изучение их собственных кинетических характеристик, которые могут отличаться от кинетики аналогичных превращений в суспензии клеток, а поэтому результаты изучения последних даже в идентичных условиях могут оказаться неприменимыми к иммобилизованным клеткам. При рассмотрении более сложных биокаталитических функций мы вправе ожидать еще более сложных зависимостей биохимической активности клеток от морфологии.
Все темы данного раздела:
Бейли Дж., Оллис Д.
Б 40 Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х час-
тях. Ч. 2. — М.: Мир, 1989. — 590 е., ил.
ISBN 5-03-001029-7
Фундаментальный труд, написанный известными амер
Проектирование и расчет биологических реакторов
Знание кинетики биологических превращений и процессов массопередачи (этим проблемам были посвящены гл. 7 и 8) необходимо для понимания основных принципов работы биологических реакто
Идеальные биореакторы
В разд. 7.1 мы познакомились с идеальными биореакторами с полным перемешиванием. Предполагается, что в таких реакторах перемешивание настолько эффективно, что концентрации биокатализаторов и услови
Реакторы периодического действия с добавлением субстрата
Часто в ходе микробиологического процесса возникает необходимость во введении в биореактор периодического действия потоков жидких веществ, например растворов предшественников синтез
Реакции в ПРПП, катализируемые ферментами
В зависимости от способа обеспечения ферментативной активности при осуществлении катализируемых ферментами реакций используются ПРПП различных конструкций (рис. 9.3). В проточном ре
Проточные реакторы с полным перемешиванием для культур клеток и пристеночный рост клеток
Для повышения выхода биомассы и продуктов жизнедеятельности организмов в единице объема реактора в единицу времени ПРПП можно снабдить сепаратором (гл. 11) и устройством для рециркуляции концентрир
Динамические модели
В основу изучения динамики процессов в ПРПП может быть положено уравнение материального баланса (7.4), преобразованное в соответствующее уравнение для нестационарного состояния:
Устойчивость
В этом разделе мы рассмотрим зависимость динамических характеристик системы в реакторе от функции f и ряда заданных значений параметров р. Для нас наибольший интере
Реакторы с неидеальным перемешиванием
Закончив изучение идеальных реакторов с полным перемешиванием или трубчатых реакторов полного вытеснения, которые можно воспроизвести в лабораторных мелкомасштабных экспериментах, р
Время выравнивания концентраций в реакторах с перемешиванием
Под временем выравнивания концентраций понимают время необходимое для достижения определенного уровня гомогенности содержимого реактора после импульсного введения индикатора в опред
Распределение времени пребывания
Попытаемся представить себе, что случится с небольшим объемом жидкости после его введения в проточный биореактор непрерывного действия. Благодаря перемешиванию этот малый объем буде
Модели неидеальных реакторов
Очевидно, РВП содержит полезную информацию о структуре течений и характере перемешивания содержимого реактора. Для оценки степени отклонения поведения реактора от идеального режима
Взаимосвязь между перемешиванием и биологическими превращениями
Характер течений и явления переноса влияют на кинетику клеточных процессов в различных масштабах. Так, эффекты, проявляюш,иеся при определенных масштабах длины (вспомните рис. 9.2),
Стерилизаторы
Жидкости, обычно водные растворы, можно стерилизовать несколькими методами, в том числе облучением (ультрафиолетовым или рентгеновским излучением), воздействием ультразвука, фильтро
Периодическая стерилизация
Изучение процессов стерилизации мы начнем с анализа закрытого сосуда с полным перемешиванием, содержаш,его суспензию клеток или спор. Жидкость должна стерилизоваться при нагревании,
Непрерывная стерилизация
На рис. 9.24 схематично изображены два основных типа непрерывных стерилизаторов. В первом из них (рис. 9.24, а) нагревание осуществляется путем введения струи пара, затем наг
Иммобилизованные биокатализаторы
Работа биологического реактора в основном определяется свойствами применяющихся биокатализаторов. Ранее мы обсуждали различные методы и способы использования ферментов, при помощи к
Превращение нерастворимых субстратов
Превращение нерастворимых субстратов типично для процессов утилизации крахмала и целлюлозы, модификации стероидов, а также для роста микроорганизмов на парафиновых углеводородах. В
Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора
Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их
Биореакторы типа барботажных колонн
Под биореакторами типа барботажных колонн мы подразумеваем реакторы с большим отношением высоты к диаметру,которые в отличие от реакторов с перемешиванием, обычно имеющих менее вытя
Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора
Процессы в псевдоожиженном слое катализатора обычно осуществляют в реакторах колонного типа, рассмотренных в предыдущем разделе, поэтому если такие процессы включают подачу или отво
Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости
Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора,
Технология микробиологических процессов
Для того чтобы получить некоторое представление о различных практических аспектах расчета и эксплуатации биореакторов, а также об осуществляемых в них процессах, рассмотрим ряд вопр
Подбор состава среды
При подборе необходимого для определенного микробиологического процесса состава среды следует принимать во внимание множество факторов. Один из них связан со стехиометрией клеточног
Проектирование типичного асептического аэробного микробиологического процесса и его ведение
Большинство промышленных микробиологических процессов имеют те или иные общие черты, однако на практике появляются существенно различающиеся проекты процессов и способы их ведения,
Биореакторы других типов
В табл. 9.13 перечислен ряд факторов, стимулировавших разработку новых типов и конструкций биореакторов. Многие из этих факторов сыграли свою роль при разработке компанией JCI чрезв
Особенности технологии процессов с участием растительных и животных клеток и соответствующих реакторов
В настоящее время культуры животных клеток используются для производства ряда ценных продуктов, в том числе вакцин, протеолитического фермента урокиназы, моноклональных антител и ин
Культивирование животных клеток; требования к среде
По сравнению с микроорганизмами для культивирования животных клеток требуются более сложные и дорогие среды. Обычно для предотвращения заражения в среду вводят антибиотики. В состав
Промышленные реакторы для крупномасштабных процессов с участием животных клеток
Все животные клетки по способности к росту в суспензии можно разделить на две группы. Так, клетки крови, лимфы, опухолевой ткани и многие трансформированные клетки могут расти в сус
Культивирование растительных клеток
Растительные ткани, выделенные из внутренних частей органов растений, после промывки и дезинфекции можно культивировать на агаре в соответствующей питательной среде.
Упражнения
9.1. Анализ ПРПП. а) Проверьте справедливость всех приведенных в табл. 9.1. уравнений, описывающих процессы в ПРПП.
б) Как с помощью соответствующих график
Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессами биохимической технологии
В предыдущих главах мы уже неоднократно имели возможность убедиться в том, что активность и полезное время жизни ферментного катализатора или популяции клеток непосредственно завися
Детекторы для определения физических свойств среды и газов
Из параметров, влияющих на жизнедеятельность клеток и экономичность биопроцесса, в ходе процесса можно непрерывно определять температуру, давление, мощность, расходуемую на перемеши
Детекторы для определения химического состава среды
В настоящее время разработаны электроды для определения рН, окислительно-восстановительного потенциала (Eh), парциального давления растворенного кислорода и СО
Газовый анализ
Концентрация СО2 в отходящих газах биореактора, содержащего культуру клеток, связана с дыхательной или иной ферментативной активностью клеток. Неудивительно, что этот пар
Детекторы для непрерывного контроля характеристик популяции клеток
К сожалению, в настоящее время имеется очень ограниченное число приборов, предназначенных для непрерывного контроля за поведением популяции клеток в биореакторе. Чаще всего возникае
Определение свойств среды
Первая стадия обработки пробы, отобранной из биореактора или аппарата, где происходит разделение продуктов, обычно заключается в отделении твердой фазы (клеток или любых других нера
Анализ состава популяции клеток
Методы анализа популяций клеток можно классифицировать примерно таким же образом, как и математические модели, описывающие кинетику роста культур клеток (вспомните тл. 7 и рис. 7.2)
ЭВМ и интерфейсы
Сочетание контрольно-измерительной аппаратуры с цифровыми ЭВМ выгодно в нескольких отношениях. Во-первых, ЭВМ может разносторонне усовершенствовать работу по сбору данных. Ст
Основные элементы цифровых ЭВМ
Основные блоки цифровой ЭВМ представлены на рис. 10.13. Центральный процессор принимает команды, передаваемые блоком управления в соответствии с заданной программой, и выполняет ука
Интерфейсы и периферийные устройства ЭВМ
Запоминающие, вычислительные и логические возможности ЭВМ останутся бесполезными, если она не соединена с каким-либо другим устройством или аппаратом. Такие соединения осуществляютс
Системы программного обеспечения
Под программным обеспечением подразумевается набор программ и команд, с помощью которых осуществляется управление работой ЭВМ, соответствующих интерфейсов и периферийных устр
Анализ данных
Хотя в настоящее время удается измерить лишь ограниченное число параметров системы в биореакторе, все же на основании этих параметров в сочетании с уравнениями общего материального
Сглаживание и интерполяция данных
Часто на результаты измерений накладывается шум. Кроме того, существенные флуктуации результатов измерений приводят к тому, что непосредственные показания прибора уже недостаточно т
Оценка параметров и состояния системы
Если накоплением кислорода в реакторе пренебречь, то уравнение материального баланса по кислороду для периодического процесса принимает форму
Непосредственное управление процессами
Если процесс осуществляется, например, в биореакторе, то часто возникает необходимость в регулировании рН, температуры, скорости аэрации и перемешивания, иногда также парциального д
Каскадное управление метаболизмом
Конечной задачей системы управления любым биореактором с культурой клеток является обеспечение таких условий, которые в конце концов способствуют максимальному использованию систем
Программированное управление процессами в биореакторах периодического действия
Обеспечить максимальный выход продукта в периодическом процессе с участием определенного штамма микроорганизмов можно только в том случае, если заранее известны те среда и условия,
Расчет и стратегия эксплуатации промышленных периодических процессов
Промышленный процесс состоит из ряда периодических операций (предварительной обработки субстрата, стерилизации, ферментации, выделения продукта, расфасовки). Разработка такого проце
Управление непрерывными процессами
При проведении непрерывных процессов возникают специфические проблемы регулирования и особые возможности применения прогрессивных методов управления. В непрерывномпроцессе система о
Упражнения
10.1. Аналитическая аппаратура. Дайте определение и кратко объясните принцип действия следующих аналитических приборов:
а) терморезистора, термопары, мембр
Отделение клеток и нерастворимых твердых материалов
Нерастворимые компоненты системы (от клеток до индивидуальных веществ) можно отделить от раствора, воспользовавшись особенностями их основных физико-химических свойств, например раз
Центрифугирование
Из культурального бульона биомассу можно выделить центрифугированием; таким методом иногда выделяют, например, дрожжи. На рис. 11.5 приведено схематическое изображение одного из тип
Седиментация
Если под влиянием многозарядных катионов или внеклеточных полимеров клетки легко образуют коагулирующие скопления или хлопья, то биомассу можно отделять седиментацией. Этот очень де
Перспективные методы выделения биомассы
Твердую фазу можно удалить из водной суспензии с помощью восходящего потока пузырьков воздуха, к которым прилипают нерастворимые твердые частицы. Такой метод (флотация) широк
Экстракция
Для экстракции необходимо наличие двух жидких фаз. При выделении антибиотиков применяют в основном экстракцию органическими растворителями из водной фазы, а для выделения белков нед
Сорбция
Под сорбцией понимают распределение растворенного вещества между жидкой и твердой (обычно пористым или обладающим большой поверхностью материалом) фазами. Одним из наиболее известны
Осаждение
Растворимость органических веществ зависит от температуры, рН, состава, иоииой силы и диэлектрической проницаемости растворителя. Осаждение можно индуцировать различными способами;
Кинетика образования осадка
Осаждение белка происходит в том случае, когда в результате изменения тех или иных условий его растворимость падает ниже существующей концентрации белка (или комплекса белок—реагент
Обратный осмос
Если раствор какого-либо вещества и чистый растворитель разделить мембраной, непроницаемой для растворенного вещества, но проницаемой для растворителя, то растворитель будет диффунд
Ультрафильтрация
Если средний диаметр пор мембраны превышает размер пор в процессе обратного осмоса, то через мембрану проникают все вещества с диаметром молекул 1 —10 Ậ, а белки и другие высо
Электрофорез
Электрофорезом называют разделение веществ благодаря различной скорости их перемещения в электрическом поле. Постоянная скорость uE, достигаемая частицей с зарядом
Последовательность операций выделения продуктов процессов биохимической технологии
В этом разделе мы изучим последовательность операций выделения и очистки продуктов биопроцессов и приведем несколько примеров таких типичных для биохимической технологии последовате
Выделение ферментов в промышленных процессах
Ферменты выделяют в виде неочищенных сухих препаратов, разбавленных или концентрированных растворов или высокоочищенных (иногда даже перекристаллизованных) твердых веществ. На рис.
Выделение антибиотиков
Антибиотики выделяют или в виде сравнительно неочищенных препаратов (примером может служить натриевая соль пенициллина; см. рис. 11.42) или в виде высокоочищенных веществ (например,
Выделение этанола
РИС. 11.43. Выделение органических кислот. Приведена схема производства лимонной кислоты в периодическом р
Выделение белка одноклеточных организмов
При выделении биомассы, являющейся главным, а не побочным (как, например, при производстве глутаминовой кислоты или антибиотиков) продуктом производства, применяют очень простые опе
Упражнения
11.1. Осаждение биомассы. а) Вычислите кажущийся размер изолированных частиц, если известны их плотности (ρ) н скорости осаждения (us):
Экономика процессов биохимической технологии
В этой главе мы рассмотрим роль экономических факторов в изучении, внедрении и эксплуатации процессов биохимической технологии. В первом разделе описаны основные этапы разработки пр
Контроль за качеством продукции биохимической технологии
Вмешательство правительственных организаций в контроль за качеством продукции биотехнологии обусловлено установленной законодательными актами ответственностью этих организаций за зд
Общий экономический анализ процессов биохимической технологии
Несмотря на то, что между отдельными биотехнологическими процессами с участием культур микроорганизмов имеются существенные различия, любой проект сначала удобнее всего рассматриват
Экономический анализ биопроцесса
В качестве примера рассмотрим среднемасштабный микробиологический процесс производства гипотетического вещества (антимикробного агента, предназначенного для использования в сельском
Химические продукты тонких биотехнологических процессов
К химическим продуктам тонкой биотехнологии относят довольно обширную группу ценных продуктов биохимической технологии (витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков, моноклон
Производство белков с помощью рекомбинантных ДНК
Технология рекомбинантных ДНК в организмах Е. coli позволила разработать методы промышленного производства инсулина (1979 г.), гормона роста (1981 г.) и лейкоцитарного интерф
Антибиотики
Продукты вторичного метаболизма микроорганизмов, ингибирующие рост других микроорганизмов даже в низких концентрациях, называются антибиотиками. Антибиотики применяют в качестве ант
Витамины, алкалоиды, нуклеозиды, стероиды
Микроорганизмы продуцируют не только белки (ферменты) и антибиотики, но и многие другие сложные метаболиты. Промышленный интерес представляют несколько процессов такого типа, успешн
Моноклональные антитела
Когда чужеродное вещество (антиген) попадает в организм животного, например мыши, то часто иммунная система узнает его и вырабатывает специфические антитела, которые селектив
Кислородсодержащие химические продукты массового производства
Для крупномасштабного производства кислородсодержащих химических продуктов применяются как анаэробные, так и аэробные процессы. Сначала рассмотрим состояние экономики традиционного
Пивоварение и виноделие
Производство пива может служить хорошей иллюстрацией ряда рассмотренных выше общих технологических принципов ферментативных процессов. Сначала ячмень инкубируют при определенных тем
Производство спирта в качестве топлива
Производство этанола в качестве топлива привлекло широкое внимание в последние десятилетия; впрочем, в Европе в годы, предшествовавшие второй мировой войне, в сравнительно широких м
Производство органических кислот и аминокислот
Производство органических кислот может служить показательным примером того влияния, которое оказывает выход процесса на его экономику. Капитальные затраты на цех ферментации при пол
Белок одноклеточных организмов
Белок одноклеточных организмов (БОО) — это содержащие белок материалы, представляющие собой высушенные клетки микроорганизмов. В качестве добавок к пищевым продуктам или кормам для
Анаэробные процессы производства метана
Широко изучались анаэробные процессы превращения субстратов углеводно-целлюлозной природы (особенно отходов сельскохозяйственных производств) в биогаз (метан), который обычно содерж
Упражнения
12.1. Этапы реализации процесса. Дайте определение (по памяти) следующим этапам реализации процесса: идея его создания, предварительная оценка, разработка окончател
Изучение взаимодействий в смешанных популяциях микроорганизмов
Во всех предыдущих главах основное внимание мы уделили системам, в которых доминирует один тип микроорганизмов, и практически не касались чрезвычайно разнообразных и очень широко ра
Нейтрализм, мутуализм, комменсализм и аменсализм
В случае смешанных культур, состоящих из двух штаммов микроорганизмов, нейтрализм и мутуализм представляют собой предельные варианты взаимодействий. Под нейтрализмом понимают
Анализ межвидовой конкуренции по Вольтерра
Известный итальянский математик Вито Вольтерра, выяснивший многие принципы математической экологии, изучал рост двух конкурирующих организмов в изолированной системе. В нелинейной м
Конкуренция и отбор в хемостате
Теперь рассмотрим роль конкуренции в открытых системах, например, в хемостате. Если допустить, что удельная скорость роста μi вида і постоянна, то дина
Хищничество и паразитизм
В случае хищничества и паразитизма один вид получает определенные преимущества за счет другого вида. Различия между этими двумя типами межвидовых взаимодействий заключаются в относи
Описание колебаний численности видов в системе хищник — жертва с помощью модели Лотки — Вольтерры
Математическую модель взаимодействия типа хищник — жертва, приводящего к таким циклическим изменениям, разработали Лотка и Вольтерра в конце 1920-х годов [8]. В этой модели принимае
Применение модели Лотки — Вольтерры к системам, состоящим из многих видовvb
Экологов интересует изучение взаимосвязей между степенью сложности системы и ее динамическим поведением. В частности, очень большой интерес представляют ответы на вопрос, будет ли с
Другие модели системы один вид хищников — один вид жертв
Работа Лотки и Вольтерры послужила стимулом для целого ряда исследований, в результате которых были предложены усовершенствованные варианты модели. Один из недостатков модели Лотки
Изучение динамики популяций с помощью моделей в форме закона действующих масс
В оставшейся части раздела 13.5 мы рассмотрим некоторые теоретические методы анализа и изучения сложных взаимодействующих популяций. Следует подчеркнуть, что большинство рассматрива
Качественная устойчивость
В предыдущем разделе мы рассмотрели некоторые из самых эффективных теоретических методов анализа нелинейныхмоделей процессов. В конце изучения влияния масштаба экосистемы и степени
Устойчивость сложных неупорядоченных пищевых сетей
В этом разделе будут рассмотрены некоторые интереснейшие работы Гарднера и Эшби*, Мэя [5] и Макмертри**, посвященные изучению взаимосвязей между устойчивостью, размером и сложностью
Бифуркации и усложненная динамика
Один из способов изучения стационарных состояний и динамики сложных систем с множеством взаимодействующих видов связан с анализом изменений, индуцированных плавным сдвигом одного из
Расположение популяций в пространстве
До сих пор мы принимали, что все популяции распределены в изучаемом объеме (пространстве) системы равномерно или такое распределение обеспечивается эффективным перемешиванием. Допущ
Смешанные популяции микроорганизмов в естественных системах и промышленных процессах
Смешанные популяции микроорганизмов играли важную роль уже в период возникновения жизни на земле. Позднее различные виды микроорганизмов выполняли важные функции в биосфере и ее эво
Применение смешанных культур определенного состава
Самым наглядным примером использования смешанных культур определенного видового состава является сыроделие. Гастрономическая сторона этих процессов известна каждому, но далеко не вс
Естественные смешанные популяции микроорганизмов и их роль в производстве и порче продуктов
Теперь перейдем к изучению процессов, в которых посевной материал поступает из естественных источников. При этом условии природа доминирующих видов определяется в основном составом
Участие микроорганизмов в естественных кругооборотах веществ
Большая часть рассмотренных нами выше примеров применения микроорганизмов так или иначе была связана с процессами, осуществляемыми и контролируемыми человеком. В связи с возрастающе
Кругооборот необходимых для жизни химических элементов
Кругооборот биологически важных химических элементов часто сопровождается циклическими изменениями степени их окисления. Это обстоятельство немаловажно, поскольку мы уже знаем, что
Взаимосвязи микроорганизмов в почве и некоторых других естественных экосистемах
Почва представляет собой сложную систему переменного состава, являющуюся отличной сферой обитания для микроорганизмов. Она состоит из тонкоизмельченных минералов (в основном алюмоси
Биологическая очистка сточных вод
В сточных водах содержится сложная смесь твердых и растворенных веществ, причем последние обычно присутствуют в очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех эти
Основные характеристики сточных вод
Понятно, что природа и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах зависят от их источника. Существуют два основных вида сточных вод—промышленные и бытовые. Последние загрязне
Процессы с участием активного ила
В процессах с участием активного ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический реактор. Как показано на рис. 14.10, этот аэробный реактор (аэротенк) св
Проектирование и моделирование процессов с участием активного ила
Хотя стоимость водоочистных станций большого города превышает 100 млн. долл., входящие в состав этих станций биологические реакторы обычно проектируют с помощью чрезвычайно упрощенн
Аэробная обработка ила
Активный ил с большим содержанием бнопродуктов, образующийся в рассмотренных выше процессах, часто подвергают еще одной операции аэробной обработки; фактически она повторяет описанн
Нитрификация
В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе подвергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсодержащие органические вещества. Из последних при биологич
Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров
В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные биологические фильтры. В биоло
Математическое моделирование динамики процесса анаэробной переработки ила
Несмотря на очевидные выгоды, связанные с образованием газообразного топлива и ценного удобрения (твердых отходов), метантенки заслужили плохую репутацию в силу ряда проблем, возник
Анаэробная денитрификация
В анаэробных условиях многие бактерии, которые могут утилизировать органические вещества и использовать нитрат и нитрит в качестве акцепторов электронов, восстанавливают азотсодержа
Отделение фосфорсодержащих соединений
В необработанных сточных водах фосфор обычно содержится в концентрации около 10 мг/л в виде ортофосфата, дегидратированного ортофосфата (полифосфата) и органических фосфорсодержащих
Упражнения
14.1. Проектирование процессов нитрификации. а) Какова величина БПК очищенной воды, если возраст ила определяли по заданной концентрации аммиака после очистки, т. е
Новости и инфо для студентов