Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
образования продукта. Перечислим стадии, обычно составляющие полный
непрерывный биотехнологический процесс: 1) хранение сырья, его
предварительная обработка и смешивание; 2) проверка степени загрязнения;
3) переработка сырья с целью получения продукта; 4) концентрирование
продукта; 5) отделение продукта; 6) конечная обработка продукта; 7)
хранение продукта. Если говорить о капитальных затратах и
эксплуатационных расходах, то на долю ключевого этапа производства
приходится не более 30-40% от общего их количества. Отсюда сразу
становится ясно, насколько значимы вспомогательные технологические этапы.
Разумеется, не все перечисленные выше стадии присущи исключительно
биотехнологическим процессам. Некоторые из них
Химическая технология и биотехнология
461
часто встречаются и в других технологиях. Однако есть операции,
характерные только для биотехнологии: это, например,
стерилизация сред и воздуха. При осуществлении некоторых других операций
(например, концентрирование, сушка и хранение) должны учитываться
особенности биологических материалов.
10.4.1. Стерилизация среды и воздуха
Обязательным условием осуществления многих биотехнологических процессов
является работа в асептических условиях, поэтому решающее значение имеет
стерилизация среды, а в случае аэробных процессов - и воздуха. Тем не
менее для разработки и оптимизации эффективных методов стерилизации сред
и воздуха было сделано удивительно мало. В случае биотехнологических
процессов жидкие среды стерилизуют исключительно нагреванием до высоких
температур, а воздух, как правило, лишь фильтрованием; мы обсудим только
эти два метода стерилизации.
Рациональное конструирование стерилизаторов культуральных сред
основывается на данных о кинетике гибели микроорганизмов. Нагревание
вызывает потерю их жизнеспособности, но не физическое разрушение.
Скорость инактивации микроорганизмов при данной температуре описывается
уравнением
*!L=-kN, (109)
dt
где k - зависящая от температуры константа скорости реакции, N - число
потенциально жизнеспособных микробных клеток, t - время. Важно отметить,
что в это уравнение входит число клеток или спор, а не их масса,
фигурировавшая раньше в уравнениях роста. При стерилизации ключевую роль
играет именно число клеток и спор как потенциальных центров инфекции.
Для вегетативных клеток кинетика гибели первого порядка [уравнение (109)]
является хорошим приближением, хотя на нее может влиять и множество
дополнительных факторов. Однако в случае спор наблюдаются отклонения от
этого уравнения. И для вегетативных клеток, и для спор влияние
температуры на константу скорости реакции К, входящую в уравнение (109),
описывается формулой Аррениуса:
k==ae~E/RTi (110)
где а - эмпирическая константа, Е - энергия активации, R - газовая
постоянная, Т - абсолютная температура. Преобразо-
462
Глава 10
вав уравнение (109) и подставив в него выражение для k, получим
= ae-Ef*Tdt , (111).
N
или в интегральной форме, приняв, что N=N0 при t = 0,
t
ln~- = -a^ е-в/RTdt. (| 12>
0 о
Цель всех процессов стерилизации состоит в уменьшении числа выживших
потенциально жизнеспособных клеток и спор до-величины, меньшей единицы.
Поэтому такие процессы лучше всего рассматривать с вероятностной точки
зрения. Стерилизацию среды можно проводить как в периодическом, так и в
непрерывном режимах. В периодическом режиме тепловая обработка среды
обычно бывает излишне продолжительной, что приводит к ухудшению качества
среды. При непрерывном режиме эти недостатки можно устранить.
Цикл периодической стерилизации состоит из трех стадий: нагревание,
выдерживание (обычно при 121 °С) и охлаждение. Инактивация клеток и спор
происходит на всех трех стадиях;, поэтому, если время нагревания равно tu
время выдерживания - t2, время охлаждения -1%, а общая продолжительность
цикла - t, то
In = in А.+1п + In =
= а
N JVX JV2 N
h h ts
j e-?/*r dt + j e-?/*r dt + f e~vRT dt 0 0 0
(113>
где Ni и N2 - общее число выживших клеток и спор после нагревания и
выдерживания соответственно.
При стерилизации в периодическом режиме стадии нагревания и охлаждения
нередко бывают весьма продолжительными, а время выдерживания обычно
составляет 0,3-0,5 ч при" температуре 121°С.
Существует два разных типа систем для стерилизации среды в непрерывном
режиме: системы с прямой инжекцией пара,, требующие сверхчистого пара, и
системы с косвенным нагреванием с помощью теплообменников. Ясно, что
системы обоих типов работают при повышенном давлении. Системы с прямой
инжекцией включают инжектор пара, секцию для выдерживания, расширительный
клапан и секцию для быстрого охлаждения. В установках с косвенным'
нагревом среда обычно подвер-
Химическая технология и биотехнология
463
гается предварительному нагреванию уже стерилизованной •средой для
возврата отработанного тепла. В систему входят также: безынжекционный
теплообменник, в котором среда менее чем за 1 мин нагревается до 135 °С;
секция, в которой среду выдерживают 3-5 мин при 13510С; секция для
