- Основы технологии микробиологии
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Технология микробиологического синтеза обязательно включает в себя в качестве основной стадию промышленного культивирования соответству-ющего микроорганизма-продуцента (ферментация). В условиях промышленного производства такое культивирование проводят по одному из следующих двух способов:
1. культивирование на твердых питательных средах или на поверхности тонкого слоя жидкой питательной среды (поверхностный способ выра-щивания продуцента),
2. культивирование соответствующего продуцента в большом объеме жидкой фазы, содержащей все необходимые для нормального роста и развития микроорганизма питательные вещества (глубинный способ выращивания продуцента).
Поверхностное культивирование
Культивирование микроорганизмов на твердых питательных средах -поверхностное культивирование) приблизительно можно представить в виде следующей последовательности технологических операций. Предварительно простерилизованный и измельченный твердый питательный субстрат засевается выращенной в отделении «чистой культуры» заводской лаборатории культурой соответствующего микроорганизма. Далее среду с посевным материалом направляют в раздаточное устройство где с помощью механических дозаторов осуществляется загрузка кювет (лотков) для выращивания. Перед загрузкой кюветы тщательно моют и стерилизуют острым паром. Загруженные кюветы помещают в специальные растительные камеры, где для нормального роста культур микроорганизмов поддерживаются соответствующие условия.
В качестве субстратов, используемых для культивирования микроорганизмов на твердых питательных средах, применяют, как правило, нестандартное сырье - различные отходы пищевой промышленности. Среди них наиболее часто используют пшеничные отруби, свекловичный жом, проросшие ячменные зерна (солод), шелуха от некоторых сельско- хозяйственных культур (риса, гречихи, подсолнуха). В качестве разрыхлителя субстрата часто используют древесные опилки. Все эти виды субстратов отличает низкое содержание азотсодержащих веществ, поэтому в качестве добавок к ним добавляют такие азотсодержащие соли, как сульфат аммония и различные добавки микроэлементов и ростовых факторов.
Перед использованием готовый субстрат подвергают тщательной стерили-зации, чтобы обеспечить максимально возможное подавление посторонней микрофлоры. Микробиологический контроль при этом обычно ведут по наличию спор бактерий, так как именно они наиболее устойчивы к различным методам стерилизации. Наиболее часто стерилизацию проводят обработкой острым паром (более 120 С). Однако это часто приводит к комкованию среды, что резко ухудшает процесс стерилизации таких комков на всю глубину, и кроме того, этот процесс является весьма длительным, энерго- и материалоемким. Поэтому на ряде производств в последнее время стали использовать для стерилизации принципиально другие методы, например уничтожение микроорганизмов γ- или рентгеновскими лучами.
Рекомендуемые материалы
Выращенный в отделении «чистой» культуры посевной материал перед засевом подвергают микробиологическому и биохимическому контролю на отсутствие посторонней микрофлоры и соответствие его паспортным технологическим данным. Посевной материал считается пригодным для засева основных аппаратов, если он обеспечивает при нормальной длительности культивирования на производственной среде необходимое по паспорту накопление целевого продукта или нужную ферментативную активность.
Поскольку практически все продуценты культивируемые поверх- ностным способом являются аэробами, то им для дыхания необходим интенсивный подвод воздуха.
Очистка используемого воздуха и его стерилизация осуществляется с использованием волокнистых фильтрах. Перед растительными камерами всегда устанавливают кондиционеры для поддержания необходимой температуры и влажности. В связи с использованием воздуха в качестве теплоносителя расход его достигает значительной величины. Поэтому практически любая технологическая схема подготовки и циркуляции воздушного потока предусматривает его рецикл, в котором участвует до 90% воздуха. При этом циркулирующий воздух проходит через воздухоохладитель, а часть отработанного воздуха очищается на фильтрах от пыли и микробных клеток, а затем выбрасывается в атмосферу.
Проблема регулирования теплообмена в процессе культивирования имеет не менее важное значение, чем обеспечение подвода воздуха. В ходе своего роста большинство культур выделяют значительное количество тепла. В то же время известно, что уже при температуре 38-40 С наступает угнетение вегетативного развития многих культур, а при 43-45 С может происходить полная инактивация их ферментных систем. Проблема усложняется тем, что выделение тепла в течение всего периода культивирования происходит неравномерно. В начале культивирования выделение тепла обычно в 10-20 раз больше чем в конце процесса. Поэтому необходим постоянный контроль за температурой внутри ростовой камеры и эффективный отвод избыточного тепла.
Решение проблемы теплообмена существенно упрощается благодаря тому, что так же неравномерно в ходе культивирования происходит и потребление кислорода (воздуха), при этом максимум потребления кислорода совпадает с максимумом тепловыделения. В конце культивирования потребление кислорода становится минимальным, одновременно уменьшается и выделение тепла. Это позволяет использовать холодный воздух, подаваемый в ферментер для съема и отвода выделяющегося в ходе культивирования тепла.
В процессе культивирования наблюдается непрерывное снижение влаги в твердом субстрате. В начале процесса влажность питательной среды достигает 58-60%, к моменту окончания процесса эта величина может снизиться до уровня 30%. Это отрицательно сказывается на развитии микроорганизма и как следствие на выходе целевого продукта. Поэтому для производственных условий важно в течении всего времени культивирования поддерживать величину влагосодержания на уровне не ниже 55-50%, что достигается предварительным увлажнением (кондиционированием) воздуха, подаваемого в растительные камеры..
Способы поверхностного культивирования
В современном производстве используются, в основном, три способа поверхностного культивирования микроорганизмов: кюветный способ выращивания, касетный способ выращивания и выращивание методом объемной аэрации.
Обратите внимание на лекцию "40 Открытый торговый протокол Интернет".
Кюветный способ является наиболее распространенным, особенно в малотоннажных производствах. Лотки-кюветы после загрузки субстрата, засеянного соответствующей культурой микроорганизма, помещаются на стелажи в специальные растительные камеры в которых поддерживаются все необходимые для культивирования условия. Такой процесс является малопроизводительным и весьма трудоемким, поскольку большинство технологических операций по загрузке и выгрузке выполняются вручную.
С целью интенсификации процессов кюветного выращивания разрабатываются конструкции растительных камер в которых кюветы по басконечной конвеерной ленте движутся через различные зоны раститель-ной камеры, в которых поддерживаются условия (теплообмен, воздухообмен, влажность и др.) соответствующие тем или иным стадиям роста микро-организма. После прохождения камеры кюветы проходят отделения сушки, съема готовой культуры, мойки, стерилизации и снова подаются на загрузку.
Касетный способ выращивания продуцента осуществляется в специальных растительных камерах, имеющих форму параллелепипеда. Камера разделена на 23 секции-касеты перфорированными перегородками с двойными стенками, между которыми подается стерильный воздух. В пространство между перегородками загружают сверху засеянную питатель-ную среду. Днище касеты состоит из двух жалюзийных пластин. Стерильный воздух подводится к каждой из секций с помощью коллектора.
По окончании процесса культивирования камеру разгружают путем открытия жалюзийных пластин днища камеры. Полнота разгрузки камеры обеспечивается путем установки ее на специальный вибростол.
Касетный способ выращивания позволяет вдвое увеличить толщину слоя субстрата, по сравнению с кюветным, благодаря двустороннему обдуву его потоком воздуха, что ведет к повышению эффективности процесса поверхностного культивирования.
Процесс культивирования методом объемной аэрации проводят в специальных колонных аппаратах, разделенных по высоте на секции перфорированными пластинами, укрепленными на поворотных осях. Воздух с помощью коллектора подают под каждую секцию аппарата, а выделяющееся в ходе ферментации тепло отводят охлаждающей водой, подаваемой в наружную рубашку аппарата. Питательная среда дополни-тельно перемешивается и распределяется по тарелкам с помощью установленных по центру аппарата на общем валу перемешивающих устройств. Загрузка аппарата осуществляется сверху, а выгрузка через днище. При этом перегрузка среды с тарелки на тарелку и выгрузка осуществляется в результате поворота сегментных частей тарелок на угол 90 в автоматическом режиме.
