Экономический анализ биопроцесса - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
В Качестве Примера Рассмотрим Среднемасштабный Микробиологиче...
В качестве примера рассмотрим среднемасштабный микробиологический процесс производства гипотетического вещества (антимикробного агента, предназначенного для использования в сельском хозяйстве) [1]. Предварительный анализ потенциального объема производства показал:
1. Согласно предварительному изучению рынка, продажная цена 2,5 долл. за килограмм продукта позволит завоевать 15—25% рынков сбыта.
2. Если допустить, что подлежащие обработке этим препаратом культуры возделываются на площади 4,5—7,5 млн. гектаров, то потенциальная потребность рынка в продукте составит 13—22 млн. кг/год.
Теперь можно оценить потенциальный масштаб процесса:
Примем, что большой, но удобный для работы ферментер имеет общий объем 225 м3. Объем жидкой фазы в ферментере (рабочий объем) должен быть равен 180 м3. Если ферментер будет непрерывно работать в течение 97% всего времени (включая профилактические и ремонтные работы), тогда, согласно результатам лабораторных исследований, за один цикл в одном ферментере можно получить 20 000 кг продукта (при стандартизированной активности в единице массы).
При объеме производства 17 млн. кг в год и производительности за один рабочий цикл 20 тыс. кг (по данным лабораторных исследований) потребуется (17·106/20·103) =850 рабочих
циклов в год. Если продолжительность одного рабочего цикла составляет 40 ч (1,67 сут, включая 4 ч на профилактические работы и ремонт), то в одном ферментере можно будет осуществить 365/(5/3) =216 рабочих циклов в год. Следовательно, для заданного объема производства потребуется 850/216≈4 ферментера объемом 225 м3.
Определив таким образом базисные показатели проектируемого процесса, можно перейти к оценке необходимого количества материалов и их стоимости. Для этой цели можно воспользоваться масштабированием результатов лабораторных испытаний, а также анализом полученных ранее или опубликованных данных, характеризующих исходные материалы и составные части рецептуры. Полученные результаты приведены в табл. 12.5. Обратите внимание на то, что указанные в таблице расходы определены путем простых стехиометрических расчетов на основе лабораторных данных о выходе продукта из конкретного количества питательных веществ и об окончательном составе продукта [активное начало (продукт микробиологического процесса), разбавитель, стабилизатор, связующее вещество, агент, предохраняющий от слеживания и т. д.]; другими словами, эти расходы не зависят от характера операций, выбранных для осуществления биореакции и выделения продукта.
В табл. 12.5 перечислено основное оборудование и материалы, которые потребуются для реализации процесса в 4 ферментерах при установленной производительности 17 млн. кг продукта в год. С точки зрения экономики наибольщий интерес представляют три этапа разработки проекта этого процесса:
1. Определение конкретной последовательности технологических операций и на этой основе необходимого масштаба всего предприятия. Последовательность операций и данные, приведенные в табл. 12.3, позволяют рассчитать капитальные затраты на оборудование. Далее по литературным данным и опыту эксплуатации близких производств оценивают людские ресурсы, необходимые для обслуживания основного оборудования, что позволяет рассчитать стоимость труда производственных рабочих.
2. По операционной карте процесса, на которой указаны точная спецификация оборудования и число единиц оборудования каждого типа, определяют потребности каждой операции в паре, технологической воде, воде для промывки и охлаждения, стерилизованном воздухе, электроэнергии, природном газе или другом топливе. Суммируя эти данные по всем операциям, рассчитывают расходы на пар, воду, топливо и электроэнергию для всего процесса. (На основе этой же подробной операционной карты составляют детальную схему потоков исходных веществ, продукта, побочных продуктов и отходов; в окончательном варианте на схеме должны быть указаны расходы, связанные с переработкой и (или) ликвидацией всех отходов процесса.)
3. На основе рассчитанных описанным путем стоимости труда производственных рабочих, общих капитальных затрат и других данных (стоимости оборудования цеха ферментации, систем водо-, тепло- и энергоснабжения, материалов, расходов, связанных с хранением продукта, затрат на проектные и строительные работы, резерва на непредвиденные расходы), а также с учетом данных, приведенных в табл. 12.4, находят общие издержки производства.
Таблица 12.5. Потребность в материалах и их стоимостьа
Имея в своем распоряжении данные о стоимости труда производственных рабочих, оборудования, материалов, систем водо-, тепло- и энергоснабжения, а также об общих издержках производства, на следующем этапе проводят анализ рентабельности для рассматриваемого основного (базисного) варианта и ряда близких вариантов, с помощью которых определяют чувствительность результата расчетов рентабельности к изменениям основных переменных (продажной цены продукта, объема рынка сбыта, капитальных затрат, объема производства).
РИС. 12.2. Пример операционной карты процесса. [Воспроизведено с разрешения из работы: Bartholomew W. Н., Reisman Н. В., Economics of Fermentation Processes, in Microbial Technology, Peppier H. J., Perlman D. (eds.), 2d ed., vol. 2, p. 48S, Academic Press, Inc., New York, N.Y., 1979.]
Теперь рассмотрим пример операционной карты конкретного процесса и рассчитаем необходимые капитальные затраты, стоимость труда производственных рабочих, систсхм водо-, тепло- и энергоснабжения, а также заводскую себестоимость и прибыль на инвестированный капитал.
Операционная карта процесса (рис. 12.2) в рассматриваемом примере представляет собой, по сути дела, всего лишь соответствующим образом детализированный вариант общей схемы процесса (рис. 12.1). В операционной карте указывают последовательность операций, число идентичных аппаратов и необходимость подачи воды, тепла (пара), газа и электроэнергии для каждой операции.
Скорость переработки исходных материалов тесно связана со скоростью потребления пара, воздуха, воды, образования отходящих газов (CO2, H2O) и твердых отходов (биомассы), поэтому потребности в указанных вспомогательных средствах и в мощностях для ликвидации отходов можно достаточно точно отразить на детальной операционной карте расходования материалов (рис. 12.3). На этой карте для каждой отдельной операции указывают состав и объем всех потоков, в том числе исходных материалов и компонентов окончательной композиции, воды, пара, воздуха, газа, продукта и отходов. Для определения потребности в электроэнергии суммируют расход энергии каждым аппаратом; такие данные обычно сообщает компания, изготовляющая эти аппараты.
РИС. 12.3. Карта потоков материалов в биопроцессе. [Воспроизведено с разрешения из работы: Bartholomew W. Н., Reisman Н. В., Economics of Fermentation Processes, in Microbial Technology, Peppier H. J., Perlman D. (eds.), 2d. ed., vol. 2, p, 489, Academic Press. Inc., New York, N. Y., 1979.]
Таблица 12.6 Расчет капиталовложений (в тысячах долларов)а
В табл. 12.6 представлены результаты определения капитальных затрат на процесс, схематично изображенный на рис. 12.3. Затраты на контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы, здания и сооружения для цехов ферментации и выделения продукта оценивают как определенную долю от капитальных затрат на основное оборудование. В конечном итоге все затраты на оборудование выражают с учетом расходов на монтаж и установку. Для процесса, изображенного на рис. 12.3, общую стоимость основного оборудования можно представить в виде соответствующей доли от суммарного основного капитала; цех ферментации (61%), цех выделения продукта и приготовления композиции (26%), системы водо-, газо-, тепло- и энергоснабжения, помещения для хранения материалов (13%)). Приблизительные расходы на проектирование и строительные работы, а также непредвиденные расходы в каждом случае приняты равными 20% от основного капитала (который включает стоимость основного оборудования, контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, технологических трубопроводов, зданий и сооружений).
Для определения общего расхода воды, тепла, газа и электроэнергии, необходимых для осуществления планируемого процесса, суммируют соответствующие расходы на отдельные операции, указанные на рис. 12.3; результаты такого расчета приведены в табл. 12.7. Цех выделения продукта и составления рецептуры потребляет 84% пара, 73% электроэнергии и 100% природного газа, а в цехе ферментации расходуется 100% технологической воды и 84% охлаждающей воды. Очевидно, что наиболее вероятным источником экономии электроэнергии на протяжении всего процесса в первую очередь может быть цех выделения продукта. Поскольку в этом цехе почти все энергетические затраты связаны с удалением воды (концентрирование, упаривание), то становится понятным стремление к разработке новых штаммов микроорганизмов, позволяющих повысить концентрацию продукта в бульоне. О влиянии подобных факторов на экономику процесса в целом мы уже упоминали в предыдущей главе. Обращают на себя внимание большие непредвиденные расходы (33%). В табл. 12.7 суммированы потребности в воде, паре, газе и электроэнергии на каждую операцию, а стоимость установленных систем снабжения соответствующей производительности указана в нижней части таблицы. Обратите внимание также на то, что принятая в конечном итоге производительность таких систем превосходит предварительные оценки (включая непредвиденные расходы) на 14% (для охлаждающей воды) н даже примерно на 50% (для пара и электроэнергии). Причина этого заключается в необходимости обеспечить достаточную гибкость процесса и (или) в номинальной производительности имеющихся в продаже систем энерго- и пароснабжения.
Согласно расчетам, общие капиталовложения в предприятие с общим объемом ферментеров 4x230=920 м3 (9,2·105 л) составляют 20484 тыс. долл. (без стоимости земельного участка). Если учесть затраты на системы водо-, тепло-, газо- и энергоснабжения, составляющие 1550 тыс, долл., то общие расходы, отнесенные к 1 л емкости установленных ферментеров, составят 24 долл. Для сравнения можно указать, что, согласно опубликованным данным, затраты на 1 л емкости установленных ферментеров при приблизительно такой же производительности 'предприятия в ценах 1977 г. составляли от 20 до 50 долл. Если принять, что ежегодный средний рост цен начиная с 1977 г. равен 10%, то в ценах 1986 г. расходы на 1 л емкости установленных ферментеров будут на 135% выше, т. е. 47—118 долларов.
Таблица 12.7. Затраты на водо-, паро-, газо- и энергоснабжениеа
Расходы на оплату рабочих, занятых в основном производстве, определяют по опыту работы аналогичных предприятий (табл. 12.8). Для конкретного процесса, схема которого приведена на рис. 12.3 и 12.4, расчет заводской себестоимости продукции представлен в табл. 12.9. Себестоимость продукции складывается из стоимости сырья и материалов (37,0%), заработной платы (15%), снабженческих расходов и издержек (5,3%), расходов на водо-, газо-, паро- и энергоснабжение (22,3%) и других расходов (20,3%); таким образом находят, что общая себестоимость продукции равна 0,82 долл. за 1 кг. а ожидаемая продажная цена (для покупателя) составляет 2,5 долл./кг.
Для завершения экономического анализа планируемого процесса необходимо выполнить простой расчет прибыли на инвестированный капитал (или любого другого эквивалентного экономического показателя). Приведенная в табл. 12.10 схема расчета (включающего 14 строк) показывает, что частное от деления средней чистой прибыли за 10 лет после выплаты налогов (среднее из величин, приведенных в строках 10 и 11) на сумму оборотного капитала (строка 12) и первоначального инвестированного основного капитала (строка 13) дает прибыль на инвестированный капитал в размере 21,2%. Далее оценивают чувствительность расчетной величины прибыли на инвестированный капитал к 20%-ным флуктуациям принятой в расчетах продажной цены на продукцию (понижение), капитальных затрат (перерасход; повышение), объема производства (снижение).
Таблица 12.8. Оплата труда производственных рабочиха
Если определенную величину прибыли на инвестированный капитал рассматривать как границу, разделяющую допустимый и экономически неоправданный варианты, то становится лонятной важность результатов анализа прибыли на инвестированный капитал ло базовому варианту (табл.12.10, графа А) и другим вариантам, соответствующейм изучению чувствительности (графы Б—Д).
Конечным результатом всех типовых расчетов являются 8 простых таблиц и 2 схемы, которых достаточно для разработки окончательного проекта (третий этап, табл. 12.1). После этого все результаты расчетов обычно направляют руководству компании для окончательного экономического анализа (четвертый этап, табл. 12.1).
Здесь целесообразно сделать небольшое отступление, касающееся взаимосвязи между организационной деятельностью и проектированием процессов. Основные принципы планирования организационной деятельности всей компании (и вообще любого планирования на ближайший период или более длительные сроки) иллюстрируются представленной на рис. 12.4 схемой. Рассмотренные в этой главе материалы по анализу экономики и технологии проектируемого процесса являются лишь частью той информации, которую должно рассмотреть и учесть руководство компании. Следует обратить вАимание на две цепи обратной связи в схеме планирования организационной деятельности компании (рис, 12.4). В первой (короткой) цепи доминируют количественные расчеты и анализы типа представленных в табл. 12.4—12.10 и на рис. 12.1—12.3. Во второй цепи главную роль играют проблемы стратегического и тактического характера, упоминавшиеся в начале этой главы. В частности, здесь выясняется, возможно ли расширение (или сужение) сферы применения планируемого процесса, имеет ли компания опыт эксплуатации аналогичных процессов и соответствующие выходы на рынок, целесообразно ли производить продукт на предприятиях компании или выгоднее продать лицензию другой компании, насколько надежны источники исходных материалов и энергии, какова стоимость строительных работ. Несмотря на то, что на многие из этих вопросов нельзя дать вполне определенные ответы, руководство компании должно принять конкретное адекватное решение относительно дальнейшей судьбы планируемого процесса и строительства предприятия с учетом всех существующих и прогнозируемых условий.
Располагая примером полного экономического анализа процесса, можно перейти к рассмотрению конкретных примеров существующих (эксплуатируемых), а также разрабатываемых или перспективных промышленных процессов.
Таблица 12.9. Определение заводской себестоимости продуктаа
РИС. 12.4. Поток информации в модели развития промышленных предприятий. [Воспроизведено с разрешения из статьи; Rudd D. F., Modelling the Development of the Intermediate Chemical Industry; Chem. Eng. J., 9, 11 (1975).]
Таблица 12.10. Расчет прибыли на инвестированный капитал (при непрерывной эксплуатации предприятия в течение 10 лет)а
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
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
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