Программированное управление процессами в биореакторах периодического действия - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
Обеспечить Максимальный Выход Продукта В Периодическом Процес...
Обеспечить максимальный выход продукта в периодическом процессе с участием определенного штамма микроорганизмов можно только в том случае, если заранее известны те среда и условия, в которых этот организм проявляет наибольшую активность или, говоря иными словами, в которых генетический потенциал организмов используется в максимальной степени. В зависимости от имеющихся контрольно-измерительной аппаратуры и систем управления, проблему оптимизации условий биопроцесса можно решить различными путями. В простейшем варианте, например в случае колбы, установленной на качалке, в ходе процесса обычно не измеряют и не регулируют ни одного параметра, кроме температуры, а управление процессом сводится к нахождению оптимального начального состава среды и наилучшего температурного режима. Если непосредственно регулируются только параметры окружения, то оптимизации процесса в биореакторе может способствовать контроль рН, интенсивности перемешивания или других параметров окружения. В таких случаях регулируемый параметр обычно поддерживают на постоянном уровне в ходе всего периодического процесса, если только необходимое для данной системы значение параметра вообще достижимо. (Если, например, потребность культуры в кислороде не обеспечивается даже при максимальной скорости переноса кислорода в биореакторе, то регулировать концентрацию растворенного кислорода, очевидно, не имеет смысла.)
Как известно, однако, во многих случаях постоянство условий и состава среды не обеспечивает оптимального течения микробиологического процесса. Так, быстрый рост клеток не способствует образованию вторичных метаболитов, но в то же время на начальной стадии периодического процесса низкая скорость клеточного роста нежелательна, если плотность исходной культуры невелика. Поэтому сначала условия процесса должны обеспечивать максимальную скорость клеточного роста, а затем, когда будет достигнута достаточно высокая концентрация биомассы, их необходимо изменить так, чтобы они стимулировали образование максимального количества продукта метаболизма. На этой стадии важно учитывать не только скорость синтеза продукта метаболизма, но и скорость его инактивации или разложения.
Аналогично при производстве белков с помощью культур генетически видоизмененных клеток в начале периодического процесса обычно выгоднее затормозить биосинтез белка, поскольку последний часто ингибирует клеточный рост и может осложнить решение проблемы генетической нестабильности. По достижении необходимой плотности культуры генетический аппарат клеток можно переключить на образование белка путем введения индуктора (или посредством подавления ингибитора экспрессии соответствующего гена). Таким образом, режимы периодических процессов биосинтеза вторичных метаболитов и синтеза белков с помощью рекомбинантных ДНК могут быть сходными, несмотря на принципиальные различия в биохимии и механизмах регуляции этих процессов.
В любой данный момент активность периодической культуры зависит как от состава среды и условий окружения клеток, так и от предыстории культуры и среды. Для того чтобы культура к определенному моменту достигала наибольшей продуктивности, могут потребоваться определенные профили изменения рН, концентрации растворенного кислорода и других переменных во времени. Часто необходимые зависимости переменных от времени находят эмпирическим путем. В то же время достаточно глубоко структурированная математическая модель процесса в принципе позволяет обеспечить максимальную производительность путем моделирования и оптимизации с помощью ЭВМ. В последующих разделах мы рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих преимущества программированного регулирования периодических процессов, а также методы составления оптимальных программ для таких процессов.
Образование фермента β-галактозидазы в периодической культуре Aspergillus niger подчиняется тем же закономерностям, что и биосинтез вторичных метаболитов. Лунделл [41] предложил способ управления этим процессом с помощью ЭВМ, который базируется на следующих принципах:
Фаза клеточного роста
1. Для повышения концентрации клеточной массы и увеличения продолжительности фазы роста необходимо добавлять в систему питательное вещество — источник углерода.
2. Источник углерода необходимо добавлять периодически по мере его истощения, что определяют по снижению скорости выделения CO2 и дыхательного коэффициента до 20% от соответствующих максимальных величин.
3. Температуру и рН необходимо установить на уровне, обеспечивающем максимальную скорость клеточного роста.
4. Во избежание излишнего расхода энергии скорость вращения мешалки и скорость поступления воздуха должны быть минимальными, что определяется скоростью переноса кислорода в системе, скоростью выделения CO2 и дыхательным коэффициентом.
Таблица 10.4. Основные характеристики некоторых периодических процессов, изучавшихся в ходе работ по оптимизации биосинтеза β-галактозидазы штаммом Aspergillus niger. В каждом процессе общее давление составляло 130 кПа, а концентрация растворенного кислорода 20% от уровня насыщенияа
Фаза биосинтеза фермента
1. Когда скорость роста клеток упадет (снизятся скорость выделения CO2 и дыхательный коэффициент), режимы процесса следует переключить на условия, способствующие образованию фермента.
2. Температура и рН должны обеспечивать оптимальную скорость биосинтеза фермента.
3. Скорость вращения мешалки и подачи воздуха следует снизить до необходимых величин (фаза биосинтеза фермента характеризуется малой скоростью потребления кислорода и пониженной вязкостью бульоьона).
4. При снижении скорости биосинтеза фермента следует добавить соответствующий индуктор.
5. Для продолжения клеточного роста необходимо добавлять питательные вещества.
6. После добавления поверхностно-активного вещества при резком снижении скорости образования фермента процесс следует прекратить.
В табл. 10.4 суммированы основные характеристики изученных экспериментально режимов ведения процесса. В периодическом процессе с продолжительной фазой образования фермента (ПФОФ) питательное вещество добавляют в фазе биосинтеза фермента. В периодическом процессе с продолжительной фазой роста биомассы (ПФРБ) питательное вещество добавляют не только в начале процесса, но и в фазе роста. В процессе ПФОФ/ПФРБ объединены условия как первого, так и второго процессов. На рис. 10.24 представлены профили изменения количества образовавшегося фермента в обычном периодическом процессе и в ПФОФ. Эксплуатационные характеристики всех четырех процессов перечислены в табл. 10.5. Тщательный подбор оптимальных условий периодического процесса в сочетании с автоматическим анализом данных и регулированием позволил повысить выход фермента на 70% и одновременно снизить расход энергии на 50%. Обратите внимание на то, что в основном последовательные изменения рел<има программируются заранее, хотя конкретный момент переключения с одного режима на другой определяют по результатам непосредственных измерений и последующего расчета параметров процесса. Последнее обстоятельство очень существенно с практической точки зрения, особенно если принять во внимание, что состав как посевного материала, так и среды непостоянен и может меняться от одной загрузки к другой.
Известно, что повышение температуры (30 °С) способствует ускоренному росту плесневого гриба Репісіllіum, в то время как более низкие температуры (около 20°С) в большей степени благоприятствуют ускоренному синтезу пенициллина. Ранее промышленное получение пенициллина проводили преимущественно при температуре, лежащей между этими двумя предельными значениями (от 24 до 25 °С), однако программированное изменение температуры в ходе периодического процесса позволяет существенно повысить выход пенициллина по сравнению с процессом, проводимым при любой постоянной температуре. Для разработки оптимальной программы изменения температуры применяли стандартные математические методы [42, 43]; ниже суммированы наиболее интересные результаты этих работ.
Применение теории оптимального управления требует создания соответствующей математической модели. На рис. 10.25 крестиками отмечены экспериментальные данные, полученные при проведении ферментации в промышленных аппаратах при постоянной температуре (25 °С). Во избежание отображения характеристик, относящихся только к какому-либо конкретному процессу, эти данные приведены в безразмерной форме. На графиках не отражена лаг-фаза, так как первые данные относятся ко времени, когда после начала процесса прошло 50 ч. Характер изменения измеренных параметров во времени предполагает следующее общее математическое описание кинетики клеточного роста и образования продукта метаболизма;
(10.14)
(10.15)
РИС. 10.24. Образование β-галактозидазы в культуре Aspergillus niger в периодическом процессе (а) и в периодических процессах с добавлением субстрата (б и в). Цифрами на двух нижних рисунках обозначены управляемые ЭВМ изменения режима периодического процесса; 1 — повышение скорости вращения мешалки; 2 — снижение скорости вращения мешалки; 3 — постоянная скорость вращения мешалки; 4, 5, 6 — добавление органического питательного вещества; 7 — добавление поверхностно-активного вещества. (Воспроизведено с разрешения из работы: Lundell R., Practical Implementation of Basic Computer Control Strategies for Enzyme Production, in Computer Applications in Fermentation Technology, p. 181, Society of Chemical Industry London, 1982.)
a —температура, °C; 5— β -галактозидазная активность; е — концентрация CO2 в отходящих газах, об.%; г — масса ферментера, кг; д —скорость вращения мешалки, с-1; е — дыхательный коэффициент, кг/кг.
Таблица 10.5. Основные результаты некоторых экспериментальных периодических процессов, изученных с целью оптимизации образования β-галактозидазы в культуре Aspergillus nigerа
где x1 и x2 — безразмерные концентрации биомассы и пенициллнна соответственно. Выражение (10.14) представляет собой логистическое уравнение, с которым мы познакомились в гл. 7, а уравнение (10.15) является вариантом рассмотренного ранее уравнения Льюдикина — Пайрета, к которому добавлено слагаемое, отражающее процесс деградации пенициллина. О необходимости введения этого дополнительного члена свидетельствует уплощение кривой накопления пенициллина при больших t (рис. 10.25). Другие данные также свидетельствуют о гидролизе пенициллина в водных растворах н о возможности разрушения пенициллин-сннтезирующей системы во времени.
Сравнение вычисленных зависимостей x1 и x2 от времени при различных значениях параметров b1—b5 с экспериментальными данными показывает, что сумма квадратов отклонений для всех экспериментальных данных минимальна при T = 25°C, если b5=0, и тогда
(10.16)
Для того чтобы установить зависимость этих параметров от температуры,
нужно учесть указанные значения при 25 °C, а также 1) известные оптимальные температуры для скорости роста клеток (30°С) и скорости синтеза пенициллина (20 °С) и 2) экспериментальные данные, показывающие, что константа скорости деградации пенициллина описывается уравнением Аррениуса с энергией активации 12—15 ккал/моль.
РИС. 10.25. Результаты экспериментального изучения промышленного периодического процесса производства пенициллина при 25 °С. [Воспроизведено с разрешения из статьи: Constantinides А., Spencer J. L., Gaden E. L.. Jr., Optimization of Batch Fermentation Processes. I. Development of Mathematical Models for Batch Penicillin Fermentations; Biotech. Bioeng., 12, 803 (1970).]
Перечисленные выше факты позволяют предложить следующие уравнения;
(10.17)
где θ — температура в градусах Цельсия.
Теперь, объединив все указанные уравнения, можно записать математическую модель процесса в общем виде
(10.18)
с начальными значениями
(10.19)
После этого нашу основную цель — максимальный выход пенициллина — можно выразить в строгой математической форме. Для этого необходимо найти θ как функцию t в диапазоне от t=0 до окончания процесса (t=T) так, чтобы x2(Т) было максимальным. Согласно принципу максимума [5] для оптимальной программы изменения температуры, которую мы обозначим символом θ*, функция гамильтониана H
(10.20)
должна принимать максимальное значение при θ = θ*(t) для всех t от 0 до T. Надстрочный знак звездочка (*) в уравнении (10.20) указывает, что соответствующие параметры определены с помощью θ*, а входящие в то же уравнение переменные λi удовлетворяют дифференциальным уравнениям
(10.21)
и условиям
(10.22)
Эти необходимые условия и другие теоретические результаты предполагают следующий итерационный алгоритм для расчета оптимальной температурной программы:
1. Пусть θ(n)(t) обозначает n-е приближение программы.
2. Решить уравнения (10.14) и (10.15) относительно x1(n)(t), x2(n)(t), приняв,
что θ = θ(n).
3. Используя x1(n), x2(n), θ(n) определить зависящие от времени коэффициенты в правой части уравнения (10.21), проинтегрировать эти уравнения в обратном направлении в численной форме от t=T до t=0 и таким образом определить λ1(n)(t), λ2(n)(t) (обратное интегрирование необходимо, чтобы избежать численной нестабильности, встречающейся в тех случаях, когда ин¬
тегрирование начинают при t = 0).
4. Вычислить
(10.23)
Определить (n+l)-e приближение оптимальной программы при помощи
(10.24)
где ε — небольшое положительное число.
Константинидес, Спенсер и Гэйден [42, 43] применили эту методику (в несколько модифицированном виде), чтобы предотвратить снижение концентрации биомассы. Результаты этих исследований приведены на рис. 10.26. Обратите внимание на то, что вначале устанавливали более высокую температуру (чтобы обеспечить максимальную скорость клеточного роста), а затем ее снижали (чтобы добиться оптимальной скорости образования пенициллина). В конечном итоге программированное изменение температуры позволило повысить выход пенициллина на 76,6% по сравнению с наиболее эффективным процессом при постоянной температуре (25 °С).
РИС. 10.26. Оптимальная программа изменения температуры и соответствующие профили клеточного роста и образования пенициллина, вычисленные с помощью математической модели. [Воспроизведено с разрешения из статьи: Constantinides А., Spencer J. L., Gaden E. L., Jr., Optimization of Batch Fermentation Processes. II. Optimum Temperature Profiles for Batch Penicillin Fermentations; Biotech. Bioeng., 12, 1081 (1970).]
В цитированных выше работах осуществлена оптимизация и других моделей, основанных на различных базах данных. Таким путем программирование температурного режима ферментации позволило повысить выход пенициллина примерно на 15%- Найденные расчетными методами программы изменения температуры могут быть внедрены в крупномасштабное производство с очень малыми затратами. Очевидно, что сочетание методов математического моделирования и теории оптимизации окажется плодотворным и при разработке других процессов биохимической технологии.
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
Применение биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток
Рассматривая примеры, иллюстрирующие степень сложности процессов катализа с участием иммобилизованных клеток, мы начнем с самого простого случая и постепенно будем переходить ко все
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
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