Отличительные особенности биотехнологического производства.
Структура производства. Ферментеры (биореакторы).
План:
1. Особенности биотехнологического производства
2. Общая структура биотехнологического производства
3. Субстраты для культивирования биообъектов
4. Получение действующего биологического начала (посевного материала)
5. Ферментация (образование целевого продукта)
6. Постферментационная стадия
1. Особенности биотехнологического производства
Основное направление биотехнологии - всемерная интенсификация производственных процессов. Это достигается не только на основе внедрения новых высокопродуктивных биообъектов, но и путем широкого применения эффективных технологических режимов. Необходимо подобрать необходимый субстрат (сырье), разработать конструкцию аппарата, оптимизировать условия культивирования биообъекта, обеспечить автоматический контроль за протеканием биотехнологического процесса, разработать способ выделения и очистки готового целевого продукта.
На этапе культивирования объекта биотехнология наиболее тесно смыкается с экономикой, что находит отражение в основных принципах этого этапа.
1. Принцип экономической обоснованности Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые не могут быть столь же эффективно и с теми же затратами реализованы средствами традиционной технологии.
2. Принцип целесообразного уровня технологических разработок. Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает.
3. Принцип научной обоснованности биотехнологического процесса. Объективной необходимостью является создание новых технологий, опирающихся на научные знания, позволяющие заранее провести расчет параметров среды, конструкции реактора и режима его работы.
4. Принцип удешевления производства (максимального снижения затрат). Хорошим примером служит использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов природных водоемов.
Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: необходимо стремиться к созданию оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономичном режиме при минимальных производственных затратах.
Биотехнологические процессы можно подразделить на биологические, биохимические и биоаналогичные. К первым относят те из них, которые основываются на использовании акариот, прокариот и эукариот, вторые - на использовании ферментов, и третьи (биоаналогичные) - на химическом синтезе или полусинтезе веществ, функционально близких или эквивалентных первичным или вторичным метаболитам живых организмов (получение производных пенициллина и цефалоспорина, тетрациклина, нуклеиновых оснований и др.).
Многие процессы биотехнологии являются общими, например стадии ферментации. Специальные биотехнологические процессы связаны в большей степени с особенностями биообъектов.
Классификацию вариантов биотехнологий, а в связи с этим, особенностей технологических схем и используемого оборудования можно провести по степени включения непосредственно биотехнологии в общий производственный процесс. В этой классификации можно выделить три группы биотехнологий.
1. Биотехнология используется в качестве базового этапа производства лекарственного средства. Биообъекты в таких ситуациях служат поставщиком сырья, из которого затем будет получен тот или иной лечебный, профилактический или диагностический препарат.
2. Биотехнология используется в качестве одного или нескольких этапов производства лекарственного средства. В этом случае биообъекты применяют чаще всего для биотрансформации полупродуктов на промежуточных (заключительных) стадиях приготовления лечебного, профилактического или диагностического препарата.
3. Биотехнология обеспечивает весь процесс изготовления лекарственного средства, а биообъекты функционируют на всех стадиях создания лечебного, профилактического или диагностического препарата.
studfiles.net
Разнородные производства на основе биотехнологий носят многостадийный характер и включают наряду с биотехнологическими стадиями большое число других процессов, характерных для химической технологии, в частности, разделение фаз, экстракция, стерилизация и др. В сравнении с растительными и животными клетками микробы размножаются быстрее и, следовательно, у них быстрее протекают все метаболические обменные процессы. В связи с этим процесс культивирования микроорганизмов имеет свои особенности:
- процесс обычно реализуется в условиях строгой чистоты культуры, что достигается стерилизацией всей аппаратуры, а также всех компонентов, поступающих в биореактор;
- культивирование проводится в гетерогенных многофазных системах, реологические свойства которых в ходе процесса часто меняются;
- многокомпонентность питательных сред;
- сложность биохимических процессов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов;
- автокаталитичность процесса, т.е. влияние продукта реакции (в том числе образовавшейся биомассы, синтезированных ферментов) на скорость протекания процесса;
- более высокая вариабельность биотехнологических процессов по сравнению с химико-технологическими,
- относительно низкие скорости реакций, концентрации субстратов, получаемых продуктов, которые, как правило, еще не являются готовой продукцией;
- обычно умеренная температура в пределах 20-40°С и близкие к нейтральным значения рН;
- различие условий, оптимальных для роста микроорганизмов и биосинтеза целевых продуктов метаболизма;
- культивирование микроорганизмов - сложный технологический процесс, требующий для своего осуществления довольно сложной аппаратуры, инструментального, компьютерного и других видов обеспечения.
Все процессы промышленной биотехнологии подразделяют на 2 основные группы:
получение биомассы;
получение продуктов метаболизма.
Структура биотехнологического производства включает в себя следующие основные элементы:
- Приготовление питательной среды.
- Получение действующего биологического начала.
- Ферментация (образование целевого продукта).
- Выделение и очистка целевого продукта.
- Получение товарной формы продукта.
Обобщенная технологическая схема производства представлена на рисунке.
Питательная среда обеспечивает жизнедеятельность, рост и развитие биообъектов, эффективный синтез целевого продукта. Неотъемлемой частью питательной среды служит вода, все процессы жизнедеятельности протекают только в водной среде. Питательные вещества образуют в среде истинные (минеральные соли, сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты, спирты, альдегиды и др.), коллоидные растворы или растворы высокомолекулярных соединений (белки, липиды, неорганические вещества типа гидроксида железа). Отдельные компоненты питательной среды могут находиться в твердом состоянии - они могут всплывать на поверхность (частицы угля или серы), равномерно распределяться по всему объему в виде взвеси или образовывать придонный осадок. Жидкие углеводороды при внесении в воду формируют особую несмешивающуюся фазу. При твердофазном культивировании вода только увлажняет твердую поверхность субстрата. Вещества, необходимые для культивирования, могут представлять собой газы, растворимые в воде хорошо (аммиак, сероводород), умеренно (углекислый газ) или ограниченно (азот, кислород, водород, метан)
Компонентный состав зависит от пищевых потребностей биообъекта.
| Субстрат | Назначение | Краткая характеристика |
| 1. Сахара | ||
| Глюкоза | Источник углерода и энергии | Быстро ассимилируется, добавляют ко многим культурам-продуцентам сложных органических соединений |
| Сахароза | -«»- | Основной субстрат при биосинтезе антибиотиков, аминокислот, органических кислот |
| Лактоза | -«»- | Усваивается лишь некоторыми организмами, не утилизируется большинством дрожжей |
| Ксилоза | -«»- | Усваивается многими бактериями и дрожжами рода Candida; в стадии разработки – получение генноинженерных штаммов S.cerevisiae, утилизирующих ксилозу |
| Крахмал | -«»- | Усваивается после гидролиза разной глубины (до декстринов, мальтозы, глюкозы) или непосредственно при наличии у микроорганизма амилаз |
| Целлюлоза | -«»- | В большинстве случаев для утилизации необходим гидролиз и, как правило, освобождение от лигнина, гемицеллюлоз и восков |
| Ксилан | -«»- | Подлежит гидролизу до ксилозы (с примесью других сахаров) или может утилизироваться непосредственно при наличии у микроорганизма ксиланаз |
| 2. Спирты | ||
| Этанол | -«»- | Доступный и сравнительно недорогой субстрат, как ПАВ усиливает вспенивание культуральной жидкости |
| Метанол | -«»- | Сходен с этанолом, также экономичен, как субстрат, но более летуч и токсичен |
| 3. Углеводороды | ||
| С1 – С9 Алканы | -«»- | Применяют главным образом метан, ассимилируемый многими бактериями, но не дрожжами |
| С10 – С20 Алканы | -«»- | Наиболее подходящая для утилизации группа углеводородов; используется бактериями, дрожжами, мицелиальными грибами |
| 4. Азотсодержащие соединения | ||
| Аммиак | Источник азота | Используют в виде водного раствора или газа |
| Мочевина | -«»- | Относительно дорогой и поэтому редко используемый субстрат |
| Субстраты неопределенного состава | ||
| Меласса | Источник углерода и энергии | Излюбленный субстрат для биотехнологических процессов, высокий уровень содержания сахаров (сахарозы, глюкозы) |
| Ячмень и продукты его переработки (сусло, солод, солодовый экстракт) | -«»- | Наибольшее применение находит солодовый экстракт |
| Гидролизаты древесины, соломы и др. | Источник углерода, энергии, минеральных солей | Состав зависит от вида сырья и условий гидролиза, среди сахаров преобладают пентозы, что благоприятствует росту кормовых дрожжей |
| Растительные масла и животные жиры | Источник углерода и энергии | Метаболизируется многими микроорганизмами, служат высокоэффективными источниками энергии |
| Дрожжевой экстракт | Источник углерода, энергии, азота, минеральных солей | Смесь аминокислот, липидов, витаминов и сахаров |
| Соевая мука | -«»- | Богата белками, фосфорными соединениями, жирами |
studfiles.net
Условия, необходимые для работы биообъектов в биотехнологических системах производства лекарственных средств. Основные "варианты" биотехнологий. Биотехнологический процесс как базовый этап, обеспечивающий сырье для получения лекарственных, профилактических или диагностических препаратов. Биотехнологический процесс как промежуточный или заключительный этап производства препарата. Биотехнологический процесс, обеспечивающий все стадии создания лечебного, профилактического, диагностического препарата.
Общие основы экзогенной регуляции продуктивности макро- и микрообъектов. Жизнеобеспечение макроорганизмов - животных и высших растений как источника биомассы (различных тканей). Жизнеобеспечение микроорганизмов как источника биомассы. Защита от контаминации. Предотвращение выброса в окружающую среду. Техногенная экологическая ниша для существования микрообъектов в монокультуре.
Жизнеобеспечение культур клеток высших растений и животных. Защита от контаминации. Ауксины. Цитокинины. Индукторы митотиче-ского цикла.
Проблемы лизогении и онкогенов при культивировании биообъектов. Обеспечение эффективной работы биообъектов, используемых как промышленные биокатализаторы. Подбор реакционных смесей. Инженерные решения.
Сочетание условий для поддержания жизнеобеспечения биообъекта и максимального синтеза целевого продукта при наиболее сложном варианте биотехнологического процесса. Направленная регуляция состава питательной среды и воздействия физических факторов в течение ферментации. Предшественники целевого продукта и время их внесения в среду.
Иерархическая структура биотехнологического производства. Первая ступень построения: подсистемы типа биообъект - биореакторы, биомасса - сепараторы, экстракторы и т.п. Вторая ступень построения: объединение подсистем в функционально единую цепь (участок, цех). Технологические основы создания блочно-модульных типовых решений. Третья ступень построения: последовательность блоков и модулей функциональных участков. Опытно-промышленная установка, предприятие законченного цикла, основные и вспомогательные (общеинженерные) подсистемы.
Схема последовательно реализуемых стадий превращения исходного сырья в лекарственное средство. Оптимизация биообъекта, процессов и аппаратов как единого целого в биотехнологическом производстве.
Подготовительные операции при использовании в производстве биообъектов микроуровня. Многоэтапность подготовки посевного материала. Инокуляторы. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах. Связь скорости изменения количества микроорганизмов в экспоненциальной фазе роста с концентрацией клеток в системе.
Комплексные и синтетические питательные среды. Их компоненты. Концентрация отдельного расходуемого компонента питательной среды и скорость размножения биообъекта в техногенной нише. Уравнение Моно.
Методы стерилизации питательных сред. Критерий Дейндорфера -Хэмфри. Сохранение биологической полноценности сред при их стерилизации.
Стерилизация ферментационного оборудования. "Слабые точки" внутри стерилизуемых емкостей. Проблемы герметизации оборудования и коммуникаций.
Очистка и стерилизация технологического воздуха. Схема подготовки потока воздуха, подаваемого в ферментатор. Предварительная очистка. Стерилизующая фильтрация. Предел размера пропускаемых частиц. Эффективность работы фильтров. Коэффициент проскока.
Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей. Классификация биосинтеза по технологическим параметрам. Принципы организации материальных потоков: периодический, полупериодический, отьемно-доливной, непрерывный. Глубинная ферментация. Массообмен. Поверхностная ферментация.
Требования к ферментационному процессу в зависимости от физиологического значения целевых продуктов для продуцента – первичные метаболиты, вторичные метаболиты, высокомолекулярные вещества. Биомасса как целевой продукт. Требования к ферментационному процессу при использовании рекомбинантных штаммов, образующих чужеродные для биообъекта целевые продукты.
Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических продуктов. Специфические особенности первых стадий. Седиментация биомассы. Уравнение скорости осаждения. Коагулянты. Флокулянты. Центрифугирование. Выделение из культуральной жидкости клеток высших растении, микроорганизмов. Отделение целевых продуктов, превращенных в твердую фазу. Сепарирование эмульсий. Фильтрование. Предварительная обработка культуральной жидкости для более полного разделения фаз. Кислотная коагуляция. Тепловая коагуляция. Внесение электролитов.
Методы извлечения внутриклеточных продуктов. Разрушение клеточной стенки биообъектов и экстрагирование целевых продуктов.
Сорбционная и ионообменная хроматография. Аффинная хроматография применительно к выделению ферментов. Мембранная технология. Классификация методов мембранного разделения. Общность методов очистки продуктов биосинтеза и оргсинтеза на конечных стадиях их получения (из концентратов). Сушка.
Основные параметры контроля и управления биотехнологическими процессами. Общие требования к методам и средствам контроля. Современное состояние методов и средств автоматического контроля в биотехнологии. Контроль состава технологических растворов и газов. Потен-циометрические методы контроля рН и ионного состава. Датчики рН и ионоселектавные электроды. Газочувствительные электроды. Стерилизуемые датчики растворенных газов.
Контроль концентрации субстратов и биотехнологических продуктов. Титриметрические методы. Оптические методы. Биохимические (ферментативные) методы контроля. Электроды и биосенсоры на основе иммобилизованных клеток. Высокоэффективная жидкостная хроматография при решении задач биотехнологического производства.
Основные теории автоматического регулирования. Статические и динамические характеристики биотехнологических объектов. Классификация объектов управления в зависимости от динамических характеристик.
Применение ЭВМ при биотехнологическом производстве лекарственных препаратов. Создание автоматизированных рабочих мест. Разработка автоматизированных систем управления. Пакеты прикладных программ. Структура исследований в области биотехнологии микробного синтеза. Применение ЭВМ на различных этапах производства и получения биотехнологических продуктов. Принципы и этапы анализа данных и математического моделирования биотехнологических систем. Планирование и оптимизация многофакторных экспериментов. Кинетические модели биосинтеза и биокатализа. Организация автоматизированных банков данных по биотехнологическим процессам и продуктам.
Биотехнология как наукоемкая ("высокая") технология и ее преимущества в экологическом аспекте перед традиционными технологиями. Направления дальнейшего совершенствования биотехнологических процессов применительно к проблемам охраны окружающей среды. Малоотходные технологии. Итоги и перспективы их внедрения на биотехнологических производствах. Особенности биотехнологических производств применительно к их отходам.
Рекомбинантные продуценты биологически активных веществ и проблемы объективной информации населения. Организация контроля за охраной окружающей среды в условиях биотехнологического производства.
Классификация отходов. Соотношение различных видов отходов. Очистка жидких отходов. Схемы очистки. Аэротенки. Активный ил и входящие в него микроорганизмы.
Создание методами генетической инженерии штаммов микроорганизмов-деструкторов с повышенной способностью к деструкции веществ, содержащихся в жидких отходах, Основные характеристики штаммов деструкторов. Их неустойчивость в природных условиях. Сохранение штаммов на предприятиях. Нормы внесения биомассы штаммов при пиковых нагрузках на очистные сооружения.
Уничтожение или утилизация твердых (мицелиальных) отходов. Биологические, физико-химические, термические методы обезвреживания мицелиальных отходов. Утилизация мицелиальных отходов в строительной промышленности. Использование отдельных фракций мицелиальных отходов в качестве пеногасителей и др.
Очистка выбросов в атмосферу. Биологические, термические, физико-химические и другие методы рекуперации и обезвреживания выбросов в атмосферу.
Единая система GLP, GCP и GMP при предклиническом, клиническом испытании лекарств и их производстве, Особенности требований GMP k биотехнологическому производству. Требования к условиям хранения сырья для комплексных питательных сред. Карантин. Правила GMP применительно к производству бета-лактамных антибиотиков.
Причины проведения валидации при замене штаммов-продуцентов и изменении составов ферментационных сред.
Вклад биотехнологии в решение общих экологических проблем. Замена традиционных производств. Сохранение природных ресурсов источников биологического сырья. Разработка новых высокоспецифичных методов анализа. Биосенсоры.
Перспективы получения, модификации и использования в защите окружающей среды феромонов, кайромонов, алломонов как природных сигнальных и коммуникативных молекул в надорганизменных системах.
Определение понятия "биомедицинские технологии". Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии. Международный проект "Геном человека" и его цели. Этические проблемы. Антисмысловые нуклеиновые кислоты, пептидные факторы роста тканей и другие биологические продукты новых поколений - молекулярные механизмы их биологической активности и перспективы практического применения. Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа (генотерапия) и фенотипа. Биопротезирование. Репродукция тканей. Трансплантация тканей и органов. Поддержание гомеостаза. Гемосор-бция. Диализ. Оксигенация. Перспективы использования гормонов, продуцируемых вне эндокринной системы.
1. http://www.mma.ru/article/id49449
student.zoomru.ru
