Амилолитические ферменты

Непрерывным культивированием в проточных средах можно выращивать микроорганизмы в условиях, оптимальных для их стадии развития. При этом такие важные факторы, как концентрация питательных веществ, количество продуктов обмена, рН, содержание растворенного кислорода, резко изменяющиеся при периодическом способе культивирования, поддерживаются по­стоянными на заданном уровне или изменяются по разработан­ной программе.

Способы непрерывного культивирования в производстве фер­ментных препаратов для спиртового производства еще находятся в стадии производственных испытаний. Поэтому, к сожалению, в настоящее время на заводах до сих пор применяют периоди­ческое культивирование микроорганизмов.

4.4. концентрирование ферментных растворов

Глубинные культуры микроскопических грибов в жидком виде не могут сохраняться длительный срок без потери актив­ности, перевозить их на большие расстояния вследствие значи­тельного содержания в них воды (до 85...90 %) также экономи­чески не всегда оправдано. Поэтому при организации снабжения культурой спиртовых заводов целесообразно ее предварительно концентрировать.

Концентрирование культур можно осуществлять на вакуум-выпарных установках с получением сиропов при температурах, обеспечивающих сохранение ферментов, или на распылительных сушилках с получением порошкообразного ферментного пре­парата. Однако эти способы сопровождаются значительными по­терями активности (до 50 %) и поэтому не нашли распростране­ния на спиртовых заводах. Начиная с семидесятых годов во ВНИИПрБТ был разработан и внедрен на Мичуринском   экспе-риментальном заводе способ концентрирования глубинных куль­тур ультрафильтрацией.

Способ основан на проведении процесса фильтрации через ряд полупроницаемых мембран, в результате чего ферменты и другие высокомолекулярные вещества задерживаются или выво­дятся из аппарата в

виде ультраконцентрата (концентрированно­го сиропа). Вода и часть низкомолекулярных веществ (пермеат) проходят через мембраны и также удаляются.

Потери активности при ультрафильтрации составляют до 15 % в пересчете на первоначальную активность исходной освет­ленной культуральной жидкости.

При использовании концентрированных препаратов на стан­ции осахаривания применяют обычное оборудование для дозиро­вания ферментных осахаривающих материалов.

4.5. Оборудование для получения амилолитических ферментов

МОДУЛЬНОЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СЕРИИ "ОКА-01"

4.5.1Назначение

"ОКА-01" представляет собой гибкое модульное биотехнологическое оборудование, позволяющее производить в непрерывном режиме широкий спектр биотехнологических продуктов, причём переход с выпуска одного продукта к другому осуществляется по программе под управлением компьютера.

Модульное построение биотехнологических агрегатов и систем управления, а также их новый принцип действия, позволяют не только быстро менять рецептуру производимых продуктов, но и обеспечивают масштабирование создаваемых производств от опытно-экспериментального до промышленного уровня.

4.5.2.Области применения

Предлагаемый комплект биотехнологического оборудования был использован для разработки новейших высокопродуктивных непрерывных технологий производства биопродуктов (Рис. 1):

4.5.3.Устройство

Состав базового комплекта модульного биотехнологического оборудования серии "Ока-01" представлен на Рис. 2:

4.5.3.1Модуль для приготовления питательной среды (МПС)

Модуль предназначен для приготовления питательных сред из растительного сырья с последующим разделением полученной суспензии на жидкую и твёрдую фракции и представляет собой набор унифицированного оборудования для автоматизированного непрерывного производства питательных сред с заданными параметрами по концентрации, соотношению компонентов, pН и температуре. В состав "МПС", входят: бункер для исходного сырья (зерно, отруби и др.), обеспечивающий запас исходного сырья для непрерывного производства питательной среды; измельчитель твёрдых веществ с дозирующим устройством, обеспечивающий дробление и транспортировку расчётной дозы сырья в смеситель по заданной программе;

парогенератор для получения насыщенного водяного пара, используемого для варки растительного сырья, термостатирования и разбавления приготовляемой среды; смеситель с термостатируемой рубашкой, обепечивающий гомогенное перемешивание и дозированный отбор сгущенной среды по заданному алгоритму; устройство для фракционного разделения питательной среды, обеспечивающее выделение из среды жидкой и твёрдой фракций.

4.5.3.2.Модуль стерилизационный (МС)

Модуль предназначен для стерилизации насыщенным водяным паром ферментационного оборудования, питательных сред и титранта, воздуха и отходящих газов, а также для обеспечения асептических условий работы всех устройств базового модуля.

В состав "МС" входят: парогенератор, обеспечивающий насыщенным водяным паром работу насосов, дозаторов, паростерилизуемых разъёмов трубопроводов, стерилизаторов питательных сред, автоклава и термостатов;

автоклав, обеспечивающий ускоренную стерилизацию лабораторной посуды и титранта в условиях циклической принудительной конденсации пара;

стерилизатор питательной среды, обеспечивающий дозированную стерилизацию сгущенных питательных сред с их последующим разбавлением стерильной дистиллированной водой до заданных концентраций; устройство для слива стерильной среды, обеспечивающее охлаждение и дробную подачу приготовленной питательной среды в ферментёр по заданному алгоритму.

4.5.3.3.Модуль ферментационный (МФ)

Модуль предназначен для выращивания гетеротрофных микроорганизмов в периодическом или проточном режимах культивирования, проведения процессов биосинтеза и биокатализа веществ.

В состав "МФ" входят: ферментёр для проведения микробиологических процессов в асептических условиях: снабжён турбинной мешалкой, обеспечивающей гомогенное перемешивание культивационной среды с фиксированным пенообразованием и щадящим воздействием на биомассу и твёрдые включения, например, носители уплотнённой биомассы или сорбционные материалы; работает при коэффициенте загрузки 0,8-0,9, что позволяет увеличить выход продукта; парогенератор, обеспечивающий насыщенным водяным паром стерилизацию ферментационного оборудования, работу паростерилизуемых разъёмов, дозаторов и термостата;

ёмкость для осаждения биомассы, обеспечивающая накопление и охлаждение культуральной жидкости, вытекающей из ферментёра, в результате чего происходит её расслоение с образованием осадка;

термостат, обеспечивающий поддержание заданных температур в ферментёре и ёмкости для осаждения биомассы; дозаторы для слива продукта, обеспечивающие раздельный слив осаждённой биомассы и надосадочной культуральной жидкости в асептических условиях по заданным алгоритмам.

4.5.3.4.Модуль интерактивного управления (МУ)

Модуль предназначен для автоматического управления всеми устройствами и агрегатами, а также для измерения и регистрации текущих параметров процесса по pН, температуре, растворенному кислороду и оборотам мешалки.

В состав "МУ" входят: блоки питания, обеспечивающие стабилизированное питание электронных приборов; контроллер, обеспечивающий прохождение и обработку аналоговых и дискретных сигналов, ввод и обработку сигналов с датчиков, вычисление и выдачу на исполнительные устройства значения регулирующих воздействий: формирует программно-временную последовательность команд для управления клапанами и осуществляет обмен информацией с пультом оперативного управления и компьютером верхнего уровня; компьютер, обеспечивающий интерактивное программное управление многостадийными процессами.

Ряд агрегатов и приборов, входящих в состав модульного биотехнологического оборудования серии "Ока-01", могут использоваться самостоятельно и иметь широкое применение. К ним относятся:

В зависимости от задачи эксперимента или видов исходного сырья и конечного продукта, который необходимо получить в результате биотехнологического процесса, базовый комплект трансформируется и дополняется специфическими техническими средствами.

4.5.3.5.Выполняемые функции

Базовый комплект позволяет обеспечить:

      комплексное технологическое оснащение целевого процесса;

      сокращение времени стерилизации и сохранение качества среды за счёт нового метода стерилизации;

      дозирование жидкостей и доставку стерильных сред в асептических условиях по заданному алгоритму;

      недопущение накипи в стерилизационной камере;

      возможность реализации периодических, объёмно-доливных и непрерывных процессов биосинтеза, биокатализа и биотрансформации веществ в асептических условиях;

      увеличение загрузки ферментёров до 80% без использования пеногасителей;

      разделение осаженной и охлаждённой биомассы от нативной жидкости в процессе ферментации с возможностью дозированного слива или рециркуляции внутри системы в асептических условиях;

      возможность использования блоков оборудования в качестве биотехнологического конструктора для формирования различных многостадийных процессов с единым интерактивным управлением;

      повышенный выход продуктов в 1,5-2 раза при значительной экономии расходуемого сырья.

4.5.3.6.Примеры использования ОКА-01

С применением модульного биотехнологического оборудования реализованы следующие процессы:

1.                                Производство мицелиальной биомассы грибов.
Биомасса используется в качестве инокулюма для выращивания плодовых тел вешенки, опёнка и других высших грибов. Предлагаемая технология позволяет значительно снизить себестоимость процесса выращивания высших грибов за счёт исключения импорта и создания собственного высокопродуктивного производства инокулюма.

2.                                Производство пекарских дрожжей из крахмалсодержащего сырья.
Внедрение новой технологии на хлебозаводах позволяет использовать отходы производства мучных и крупяных продуктов для производства пекарских дрожжей, что снижает себестоимость целевых продуктов, транспортные расходы и позволяет решить экологические проблемы.

3.                                Производство растворов амилолитических ферментов.
Внедрение новой технологии на спиртовых заводах позволит решить важнейшую проблему утилизации барды и исключить импорт амилаз, расходуемых для ферментативного гидролиза зерна. Возможна реализация новой технологии для промышленного непрерывного производства амилолитических ферментов в России.

4.                                Производство осахаренного сиропа (подсластителей) из зерновых.
Использование подсластителей в пищевой промышленности значительно снизит себестоимость выпускаемых продуктов, в рецептуру которых входит импортируемый сахар. Возможно использование новой технологии для промышленного производства глюкозы в России. Сопутствующим продуктом при получении подсластителей является белково-витаминная кормовая добавка, содержащая все незаменимые аминокислоты, витамины, белки и углеводы.

5.                                Средства защиты растений.
Предлагается ферментационный модуль и технологии для высокопродуктивного производства субстанций биопрепаратов для защиты растений. Субстанции биопрепаратов обладают высокой активностью, не загрязняют окружающую среду и могут производиться в хозяйствах в необходимом ассортименте, приуроченном к срокам обработки растений.

6.                                Производство пищевых добавок на основе мицелиальных грибов.
Пищевая добавка - экологически чистый белковый, витаминный продукт, представляющий собой мицелий высших грибов в виде монокультуры, выращенной в асептических условиях. Пищевой белок предназначен для использования в качестве вкусовой добавки в пищевые продукты - майонез, пищевые концентраты, соусы, мясной фарш и др.