Файл: 1. Виды проектирования.docx

22. Принципы биотехнологии
1) Экономическая обоснованность - б/т используется только там, где нельзя так же эффективно получить продукции средствами традицион. технологии.
2)Принцип целесообразного уровня технологических разработок. Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства может прямо определяться соображениями экономической выгоды.
Для получения препаратов медицинского назначения которое требуется в количестве нескольких сотен граммов год целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь тебя не оправдывает. В некоторых случаях продукт удовлетворяющих потребителя например биогаз может быть получены без чистых культур в условиях стерильности.
3)Научная обоснованность. Возможность заранее рассчитать параметры среды, конструкция биореактора и режима его работ.
4)Удешевления производства( мак снижение затрат) энергия солнца, ест. биореакторов- водоемов - вместо аппаратов
23. Основные этапы технологического процесса получения продуктов микробиологического синтеза
Сущ 5 осн стадий БТ производства. Две нач стадии вкл подготовку сырья и биол действующего начала. Обычно сост из приготов р-ра субстрата с задан свойствами и подготовки партии фермент препарата дан типа, ферментного или иммобилизованного. При осущ микробиол синтеза необходимы стадии приготов пит ср и поддерж чистой культуры, кот могла бы пост или по мере необходимости исп в процессе. Поддерж чист культуры штамма продуцента - главная задача люб микробиол производства, поскольку высокоактивный, не претерпевший нежелат изм штамм может служить гарантией получ цел продукта с задан свойствами. 3 стадия - стадия ферментации, на кот происх образ цел продукта. На этой стадии идет микробиол превращ комп пит среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит. На 4 этапе из КЖ выдел и очищ цел продукты. Для промыш микробиол процессов характерно, образ очень разбав р-ров и суспензий, содерж, помимо цел, большое количество др веществ. При этом приходится разделять смеси в-в очень близк природы, находящ в р-ре в сравнимых конц, весьма лабильных, легко подверг терм деструкции. Заключит стадия БТ производства - приготовл товарных форм продуктов. Общ свойством большинства продуктов микробиол синтеза явл их недостаточная стойкость к хранению, поскольку они склон к разлож и в таком виде представ прекрасную ср для развития посторонней микрофлоры. +Отличия БТ продукции 21 вопрос
24. Хранение культуры и размножение посевного материала в лабораториях.
Исх культ м/о предпр может получ из след источников: из Всерос коллекции культур, из коллекции ВНИИ исслед микробиологии, из собст лаб завода. Получ культура должна иметь паспорт. Культура восст работниками лаб и в дальнейшем хранится в лаб. Вр восст культуры зависит от того, в каком виде находится микроб культура, и от самого вида м/о. Мн культуры треб неск пересевов для восст своих свойств, особенно после лиофилизации. Важное знач имеют усл и сроки хран культур. С 1 стороны, при длит хранении культ может потер свою жизнесп, а с др - слишком част пересевы часто приводят к изм свойств культур. При част пересевах может понизиться продуктив, появл гетероген культуры. Для хранения культур м/о прим след методы:1. на скош агар среде при пониж темп (4-6 С). 2. На тв среде под слоем стерил мин масла или парафина.. 3. На “голодном“ агаре. Дан сп больше всего подходит для актиномицетов.4. Замораж и хранение не выше -20 С. 5. Спор культуры можно хранить в сух виде, в стерил посуде для луч сохр с-в;6. Наиб эффек сп хран явл лиофилизация культур. Культ предвар замораж и подверг сублимации в вакууме. Для предохр от гибели кл исп защит ср. Лиофилизир культуры можно хранить до неск лет. Ч/з опред вр, специф для каждого вида м/о, культ необх пересев. Для получ посев матер культ сначала оживл и восст, а затем пересев по возрастанию объема. Колич стадий получ посев матер зависит от необх объема посев матер и мощности осн производства. Приготовл посев матер обычно сост из след этапов:1. Получ культ м/о в микробиол лаб завода.2. Выращ м/о в мал посев ап.3. Выращ м/о в бол посев ап.4. Накоп культ м/о в мал ферментере. Передачу чист культур из 1го ап в др осуществляют в конце логарифмической фазы роста. Качество полученного посевного материала контролируют путем микроскопирования.
25. Классификация биотехнологических процессов
Поуровню организации бт процессов:

• 
  макроуровень (аппаратурное оформление)
  
• 
  микроуровень (технологический процесс)
  

По типу применяемого биообъекта:

• 
  одноклеточные (монокультуры и ассоциации)
  
• 
  культуры клеток и тканей
  
• 
  ферменты
  

По степени усовершенствования применяемого биообъекта:

• 
  биоценозы мо
  
• 
  чистые культуры
  
• 
  мутанты
  
• 
  иммобилизованные ферменты и клетки
  
• 
  генно-инженерные штаммы
  

По типу преобладающего процесса:

• 
  разрушение
  
• 
  биосинтез
  
• 
  трансформация
  

В зависимости от масштаба:

• 
  крупномасштабные
  
• 
  среднемасштабные
  
• 
  мелкомасштабные
  

По применяемой технологии:

• 
  периодические и непрерывные
  
• 
  поверхностные и глубинные
  
• 
  аэробные и анаэробные
  

По виду использования:

• 
  Продукты питания
  
• 
  Бродильные производства
  
• 
  Область экологии (Очистка вод, обезвреживание отходов)
  
• 
  получение биологической массы для кормовых и технических целей
  
• 
  получение микробной биомассы или метаболитов
  
• 
  применение микробиологических процессов в нетрадиционных биологических областях - выщелачивание металлов
  

26. Стерилизация технологических потоков в биотехнологии. Стерилизация воздуха
Стерилизация- совокупность физ и хим. способов полного освобождения стерилизуемого объекта от вегетативных и покоящихся форм м/о. Для создания асептических условий подвергаются все входящие потоки, в осн в фермент( воздух, вода, среды) , оборудование, контрольно-измерительные приборы. Стерилизация воздуха. Для очистки воздуха наиболее широко применяется метод фильтрации воздуха через волокнистый, пористый или зернистый материал. Является многоступенчатым и энергоемкий процессом. Воздух подается с помощью компрессора. Перед сжатием проходит фильтр, где идет чистка от мех. примесей, здесь чаще исп. масляный или сухой волокнистый фильтр. Воздух охлаждается в теплообменнике и поступает во влагоотделитель. После влагоотделения сухой сжатый поступает в ресивер. Идет нагрев в теплообменнике до определенной Т, после фильтрируется. При 2-х ступенчатой первоначально очищается в фильтре грубой бактериальной очистки, далее от м/о в тонкой бакт. очистки.
Фильтры: 1)Глубинные – емкость, снабженная рубашкой и перфарированными решеткам. м\у ними волокнистый материал. Быстрая смена фильтрующего элемента
2)Фильтры с тканью Петрянова – стальной цилиндр, внутри закреплены цилиндры, обтянутые слоями ткани. Воздух фильтруется проходя ч\з слой ткани. Более высокая производительность, выбор пористых материалов
3)Мембранные фильтры. Фильтрующий элемент- мембранные материалы с определенным размером пор. Высокая степень автоматизации процесса, надежность. Для очистки воздуха помещений могут применяться фильтрующие элементы, но чаще всего используется облучение или озонирование , распыление дезинф. веществ.
27. Стерилизация технологических потоков в биотехнологии. Стерилизация и подготовка питательной среды.

Стерилизация – это совокупность физических и химических способов полного освобождения объектов внешней среды от вегетативных и покоящихся (споровых) форм патогенный, условно-патогенных и непатогенных микроорганизмов.

Цели стерилизации:

• 
  Предупреждение заноса микроорганизмов в организм человека при медицинских вмешательствах.
  
• 
  Создание и поддержание асептической и безмикробной среды.
  
• 
  Исключение микробного обсеменения исходных питательных сред; присутствия посторонней микрофлоры, включая вирусы, в целевой культуре клеток, в реагентах при культивировании; присутствия посторонней микрофлоры в готовом продукте; исключением любой микрофлоры в готовом продукте.
  
• 
  Предупреждение микробиологической биодеградации лекарственных, диагностических, продовольственных и других материалов.
  

Схема непрерывного приготовления питательно среды:



1 и 2 резервуары для растворения исходных веществ, 3 – резервуар для смешивания растворов, 4 – насос для передачи среды, 5 – колонка или инжектор для нагрева среды, 6 – закрытый сосуд для стерилизации, 7 – охладитель, 8 – резервуар для нагретой воды, 9 – ферментатор.




28. Стерилизация технологических потоков в биотехнологии. Стерилизация оборудования, «слабые точки»

Стерилизация – это совокупность физических и химических способов полного освобождения объектов внешней среды от вегетативных и покоящихся (споровых) форм патогенный, условно-патогенных и непатогенных микроорганизмов.

Цели стерилизации:

• 
  Предупреждение заноса микроорганизмов в организм человека при медицинских вмешательствах.
  
• 
  Создание и поддержание асептической и безмикробной среды.
  
• 
  Исключение микробного обсеменения исходных питательных сред; присутствия посторонней микрофлоры, включая вирусы, в целевой культуре клеток, в реагентах при культивировании; присутствия посторонней микрофлоры в готовом продукте; исключением любой микрофлоры в готовом продукте.
  
• 
  Предупреждение микробиологической биодеградации лекарственных, диагностических, продовольственных и других материалов.
  

29. Классификация биореакторов

Классификация:

* по направленности биологически процессов;

* по способу культивирования;

* по структуре рабочего цикла;

* по условиям асептикти;

* по условиям аэрации;

* по способу ввода эперги;

• по организации перемешивания и аэрации

По способу перемешивания и аэрации биореакторы, подразделяются на:

— механические, имеющие мешалку на валу и аэратор;

— пневматические, которые объединяют баработажные, эрлифтные и диффузорные;

— циркуляционные, содержащие насосы, эжекторы ИЛИ иные устройства;

обеспечивающие движение жидкости по замкнутому циклу с восходящим и нисходящим потоком.
30. Требования к конструкции и материалам биоректоров.

Для создания оптимальной биореакторной системы необходимо соблюдать следующие условия:

• 
  Биореактор должен быть сконструирован так, чтобы исключить попадание загрязняющих микроорганизмов, а также обеспечить сохранение требуемой микрофлоры.
  
• 
  Объем культивируемой смеси должен оставаться постоянным, т. е. чтобы не было утечки или испарения содержимого.
  
• 
  Уровень растворенного кислорода должен поддерживаться выше критических уровней
  аэрирования культуры аэробных организмов.
  
• 
  Параметры внешней среды, такие, как температура, рH и т. п., должны постоянно контролироваться.
  
• 
  Культура при выращивании должна хорошо перемешиваться.
  

К материалам, используемым при конструировании сложных биореакторов, предьявляются определенные требования:

• 
  Все материалы, вступающие в контакт с растворами, подающимися в биореактор, соприкасающиеся с культурой микроорганизма, должны быть устойчивыми к коррозии, чтобы предотвратить загрязнения металлами даже в следовых количествах;
  Материалы должны быть нетоксичными, чтобы даже при самой малой растворимости они не ингибировали рост культуры;
  
• 
  Компоненты и материалы биореактора должны выдерживать повторную стерилизацию паром под давлением;
  
• 
  Перемешивающая система биореактора и места поступления и выхода материалов и продуктов должны быть легко доступными и достаточно прочными, чтобы не деформироваться или ломаться при механических воздействиях;
  
• 
  Необходимо обеспечить визуальное наблюдение за средой и культурой.
  31. Биореакторы с подводом энергии к газовой фазе
  

В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в биореактор под определенным давлением.
К таким биореакторам относят:
• Барботажные биореакторы, подача воздуха в которых осуществляется черед барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;
• Аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха:
• Трубчатые биореакторы (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом,подвергаясь
таким образом циркуляции;
• Биореакторы с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости:
• Биореакторы колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну. разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции, воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости черев кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.
32. Биореакторы с подводом энергии к жидкой фазе

• Аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ee возвращением в диффузор;
• Биореактор с турбоэжекторными перемешивающими устройствами - аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.
• Струйный биореактор.
33.Биореакторы с комбинированным подводом энергии

В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания.

Биореактор представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером,

который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки.

Основное преимущество биореакторов с комбинированной подачей энергии заключается в том, что они могут обеспечить более эффективный и экономичный способ культивирования микроорганизмов или клеток, поскольку одновременно могут использоваться несколько форм энергии. Это также может помочь оптимизировать условия роста и улучшить общий выход желаемого конечного продукта.

Одним из примеров "за" является то, что в фотобиореакторах с комбинированной подачей энергии, например, включение системы нагрева, может увеличить скорость роста и продуктивность водорослей, что может привести к увеличению производства биомассы и липидов.

С другой стороны, одним из недостатков биореакторов с комбинированным энергоснабжением является то, что они могут быть более сложными и дорогими в строительстве и обслуживании по сравнению с традиционными биореакторами. Кроме того, используемые специфические источники энергии могут быть дорогими или труднодоступными, что может еще больше увеличить затраты.

Еще одним недостатком является то, что сочетание различных источников энергии может потребовать более сложных систем управления для обеспечения поддержания оптимальных условий роста, что также может увеличить затраты.
34. Продленное периодическое культивирование

Продленный периодический процесс предусматривает однократную загрузку и выгрузку ферментера.

Однако если воздействием микроорганизмов в продленном процессе изолируется за счёт подпитки культурой свежей питательной среды или за счет длительного удерживание клеток в системе (мембранные культуры)

Экономический коэффициент выше по сравнению с простой периодической культурой

Подпитку свежей питательной среды осуществляется на разных стадиях роста культуры в зависимости от необходимых продуктов

Целевой продукт: биомасса, то подливают экспоненциальную фазу, увеличивают подпитку

Если целевой продукт вторичные продукты продлевают стационарную фазу

Диализная культура развивается в пространстве ограниченно в полупроницаемой мембране а свежая питательная среда подается периодически или осуществляется непрерывный проток питательной среды через систему

Процесс ограничивается ростом биомассы диализную культуру применяют для концентрирования биомассы

Для накопления отделения продуктов проходящих через мембрану

Концентрирование биомассы и недифундирующая культура
35. Многоциклическое культивирование

Многократный повтор циклов выращивания культуры без многократной стерилизации емкостей

Различают одностадийное и многостадийное культивирование

В первом биореакторе выращивают Культуры до экспоненциальной фазы роста после этого часть культуры отбирается и служит материалом для 2 из 2 в 3 из 3 в 4

Данный метод позволяет повысить использование оборудования и снизить затраты труда по сравнению с простым периодическим
36. Непрерывное культивирование

Непрерывное культивирование - это процесс, при котором в ферментаторе поддерживаются постоянные условия среды, в результате чего микроорганизмы остаются в определенном физиологическом состоянии.

В отличие от периодического и других методов в непрерывных процессах происходит непрерывная подача свежей питательной среды и непрерывный отбор биомассы и продуктов жизнедеятельности среды.

Непрерывная система способна к длительной работе при постоянном установившемся режиме и в теории позволяет создать вечную культуру.

В биореакторе непрерывного действия культура стабилизируется на стадии активного синтеза непрерывного метаболита

Оборудование непрерывного действия характеризуется:

1) Одновременностью протекания всех стадий технологического процесса

2) Неизменность параметров на этих стадиях

3) Разобщенность этих стадий в пространстве

В биореакторах обеспечивается стабилизация культуры микроорганизмов на стадии активного биосинтеза

По характеру процессов аппараты непрерывного действия разделяют на

1) Аппараты идеального полного вытеснения

2) Аппараты идеального полного смешивания

3) Промежуточные

Открытая система полного вытеснения представляет собой поток жидкости через трубчатый биореактор (прямой, спиральный, с-образный)

Для этих аппаратов характерна стержневое течение среды

Данную культуру можно рассматривать как вариант периодической в которой фазы распределяются не во времени в пространстве

Недостатком являются недостаточная подвижность клеток, трудность регулирования, трудность тепломассопереноса, необходимость постоянного засева.

Поэтому первоначально для анаэробных процессов с увеличением технологии появились аппараты для анаэробного культивирования

Например, вращающийся трубчатый реактор с насадками или внутренними органами, а также многочисленные комплексные ферментеры

Проблема необходимости постоянного засева была решена путем возврата части культуральной жидкости или отделенной части биомассы на первую стадию.

Поддержание динамики равновесия в реакторе осуществляется двумя методами: турбидостатным и хемостатным.

• По турбидостатному принципу концентрация биомассы поддерживается скоростью потока среды, а по хемостатному - концентрацией подаваемого субстрата. Известен также способ регулирования роста культуры по рН. При турбидостатном методе регулирования контролируются концентрации суспензии входящей жидкости, создаваемой микробными клетками. Метод осуществляется с помощью фотоэлемента или рН-электрода, если в культуральной жидкости образуются органические кислоты.

• Хемостатный контроль проще, так как он происходит по входящему потоку. Этот метод регулирования применим ко всем типам микроорганизмов и клеток различных тканей животных и растений. Биореактор в хемостатном режиме снабжен устройствами для вливания и выпуска питательной жидкости, имеет систему контроля скорости потока, перемешивание.
37. Периодическое культивирование

Характеризуется однократным засевом среды в начале и одноразовым получением биомассы в конце процесса, обычно после полного использования субстрата.

Может быть представлено статическими, динамическими и продленными способами культивирования. Статические процессы осуществляются в стационарных условиях без перемешивания. При этом аэробные микроорганизмы обычно развиваются на поверхности жидкой или твердой среды (поверхностное культивирование), например, поверхностный способ жидкофазного культивирования Aspergillus niger для получения лимонной кислоты.

Периодические динамические процессы осуществляются с помощью перемешивания и аэрации: в жидких средах на качалках, в биореакторах при помощи мешалки и барботера.

Сущность периодического способа заключается в том, что весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют культуру микроорганизмов и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы или продуктов жизнедеятельности микроорганизмов - метаболитов. При периодическом культивировании изменяется:

• состав среды (уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается количество метаболитов);

• скорость роста;

• морфологические и физиологические свойства культуры.
38. Классификация предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности

• по назначению продукции: для производственных целей или для употребления в пищу

• по виду сырья: переработка сельскохозяйственной продукции или другие виды сырья

• 
  Размещение предприятия в зависимости от вида сырья:
  

1. 
   Предприятия, перерабатывающие сырье, недостаточно стойкое при хранении и перевозках и больших объемов, переработка которого требует больших затрат на перевозку, размещают в районе производства этого сырья (сахарные, виноделие, консервные, спиртовые)
   
2. 
   Предприятия, перерабатывающие сырье, прошедшее первичную переработку, и готовая продукция кот. мах потребляется на месте, размещают ближе к месту потребления продукции (хлебопекарные, кондитерские, пивоваренные, шампанское)
   
3. 
   Предприятия, связанные с добычей природных ресурсов, размещают ближе к месту добычи сырья (соляная, розлив минеральных вод).
   

• по объемам производства: малые, средние, крупные

• 
  По типу производства: массовое, серийное, единичное производства по заказу населения.
  
• 
  По стадии обработки:
  

1. 
   Первичная обработка – занимается отраслями (свеклосахарная, спиртовая, мясная и молочная)
   
2. 
   Вторичная обработка (кондитерская, макаронная)
   

• 
  По сезонности:
  

- сезонные (сахарная, масложировое, спиртовое, виноделие)

- несезонные (хлебопекарные, кондитерские)

• 
  Перерабатывающие разновидности предприятий:
  

1. 
   заводы в зависимости от объемов оборота, произв. мощности и численности рабочих: крупные, средние и мелкие
   
2. 
   фабрики в зависимости от мощности, численности раб. подразделяют от кол-ва содержимым животных
   
3. 
   комбинаты имеют глубокую обработку и полностью перерабатывают всю продукцию (мясо и птицекомбинаты, молочные)
   

• 
  По степени специализации и комбинирования:
  

1. 
   Спец. предприятия, которое перераб. однородную продукцию ограниченного ассортимента
   
2. 
   Комбинированное – вырабатывают разнообразную продукцию одного нескольких видов сырья.
   

• 
  По степени механизации и автоматизации: частично мех-ую, комплексно-мех-ую, автоматизированные, машинно-ручное и ручное производство
  39. Основные стадии техн. процесса производства хлебобулочных изделий
  

Технологический процесс приготовления:

1. 
   Прием основного и дополнительного сырья;
   
2. 
   Хранение;
   
3. 
   Просеивание и взвешивание;
   
4. 
   Замес теста;
   
5. 
   Брожение;
   
6. 
   Деление теста на куски;
   
7. 
   Округление;
   
8. 
   Предварительная расстойка;
   
9. 
   Формование тестовых заготовок;
   
10. 
    Окончательная расстойка;
    
11. 
    Выпечка;
    
12. 
    Охлаждение;
    
13. 
    Хранение хлебных изделий.
    

40. Культивирование на послеспиртовой барде
Производство этанола из углеводсодержащего сырья сопровождается образованием крупнотоннажного отхода- послеспиртовой барды, количество которой во много раз превосходит выход продукта.

Около 50% сухих веществ находятся в барде в растворенном состоянии , а остальная часть - в виде взвешенных веществ (дробина).

В барде присутствуют мертвые клетки дрожжей- продуцентов этанола (источник протеина), органические кислоты, аминокислоты, витамины, микро- и макроэлементы.

B качестве продуцентов на зерновой послеспиртовой барде используют дрожжеподобные грибы:

• p. Candida,

• p. Crypticoccus,

• p. Rhodotorula,

• p. Trichosporon.

Наиболее пригоден штамм Trichosporon cutaneum, который характеризуется способностью к гидролитическому расщеплению углеводных компонентов зерновой барды и высокой степенью ассимиляции углеводов и органических кислот. Этот штамм устойчив при непрерывном культивировании без соблюдения условий асептики (pH 4,0-4,5).