2 Техника безопасности и охрана окружающей среды в микробиологических производствах. Технологическая схема очистки сточных вод. Подготовка воды для технологических целей.
Павила имеют не <11 разделов: это общие правила и правила работы с КИПиА в пожароопасных условиях.
1) Стерилизация происходит с Ризб при ↑ t. В аппарате имеется > кол-во запорной арматуры – это связано с возможностью ошибочных действий оператора и с применением ЛВЖ. 2)Среди компонентов пит. среды есть вещ-ва, образующие с воздухом взрывоопасные смеси, токсичные компоненты. 3)Сепараторы работают по принципу центрифуг. Вращающиеся части муфты иеют 6 тыс. об/мин, шум до 120 дцб и >. 4)Вальцовые или распылительные сушилки, t кот. на трубопроводе =280-300ºС. Дрожжи распыляются устр-вом, вращ-ся с частотой 10-12 тыс. об/мин. Если прим-ся форсунки, то Р=2-3*105 Па. Опасность создает наличие горячих поверхностей, Ризб и вращ-ся механизмы. 5) дрожжевая пыль или другие сухие препараты могут образовывать взрывоопас-е смеси с воздухом т. к. являются хорошими диэлектриками. Все электроприборы д. б. в электрозащищ-ом исполнении, механизмы, кот. нагреваются, д. б. изготовлены из цвет. металла. 6)Отделения, где оборудование max выдает запыленность, герметизируют от остальных частей здания. Чистота воздуха обеспечивается приточно-вытяжной вентиляцией. Загрязненный воздух может содержать и м-о, его очищают в обеспложивающих фильтрах, контролируют наличие токсичных газов, ПДК кот. регламентировано. Клетки м-о м. б. возбудителями заболеваний, поэтому персонал проходит мед. осмотр и сдают спец-е анализы.
Охрана окр. среды: сточные воды делят на условно чистые - воды, прошедшие теплообменную аппаратуру, у кот. не меняется состав, но имеют >t.; загрязненные – все остальные, содержащие неорг. и орг. примеси. Загрязненность сточных вод и расход кислорода на окисление орг-х вещ-в определяется количественным показателем БПК (биологическое потребление кислорода).БПК5 означает выдержку в термостате 5 суток, БПК20 –БПК полное. Качественный состав сточных вод зависит от вида сырья, ЦП, технологического режима, расхода чистой жидкости ( легниновые вещ-ва, орг-е кислоты, минер-е соли, яды типа фурфурола, ароматические УГВ и др.). из общего кол-ва питательных вещ-в 70-80% уходят в биомассу, 20-30% - в сточные воды, поэтому до 50% кап. вложений затрачивается на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.
Очистка сточных вод: цель – удаление взвешенных примесей, орг-х и неорг-х вещ-в до ПДК. На первой стадии – механическая очистка (отстаивание), затем механохимическая (коагуляция), физико-химический обмен (ионообменная), биологическая очистка (за счет активного ила, кот. является смесью штаммов м-о, утилизирующих компоненты), термическая очистка.
Принципиальная схема очистки: 1-колодец-сборник; 2-механиз-ые решетки из Ме-ких прутьев различного размера, 3-песколовушки, 4-предаэраторы, 5-распределитель, 6-первичная очистка, 7-аэротенк, 8-вторичная очистка, 9-ершовый смеситель, 10-контактный осветлитель, 11-выпускной колодец.
СВ Cl2
очистка включает первичную и вторичную. Первичная – крупные примеси отделяются на механических решетках, вторичная – (зернистые примеси минеральных солей) непосредственная очистка сооружений в биологических окислителях или на полях орошения. В предаэраторах проходит очистка методом аэрации с + ила. Аэрация укрупняет частички и ρчас≈ρводы. В отстойниках 6 очистка отстаиванием коагулированных частиц и ила. В аэротенке 7 очистка идет с помощью аэробных м-о, оставшихся после осаждения ила. Во вторичном отстойнике 8 идет вторичная очистка и осаждение ила. В ершовом смесителе идет перемешивание сточных вод с хлорной водой, в контактном осветлителе отстаивание 30 минут (вода+хлор) и из колодца 11 берут воду на анализ. Степень очистки, кол-во примесей, t определяются санитарными нормами данного производства.
Подготовка воды: 1. отстаивание или фильтрование; 2. коагуляция; 3. дезодорация; 4. обезжелезивание; 5. умягчение, т. е. удаление солей Са и Мg.
1) Для освобождения воды от взвешенных частиц, ее отстаивают или фильтруют в специальных резервуарах. При наличии мелких частиц процесс медленный и требует > резервуаров. Этот способ применяется редко. Более распространенный – фильтрование ч/з кварцевый гравий, дробленный антрацит. 2) От коллоидных частиц освобождаются обработкой воды коагулянтами (Al2(SO4)3,FeSO4). Вода обесцвечивается и освобождается от неприятного привкуса. Для ускорения коагуляции и ↓ расхода коагулента, к воде + флокуленты (полиакриламид ион), в результате образуются крупные быстро оседающие хлопья. Не > добавки ПАА до 1 мг/л ускоряют процесс в 10-20 раз, ↓расход коаг-та в 2-3 раза. 3) Для воды, имеющей неприятный запах и привкус применяют озонирование и обработку активным углем. Воду фильтруют ч/з слой угля, кот. адсорбирует вещ-ва, связанные с запахом и привкусом воды→ ↓цветность и окисляемость воды. 4) > содержание Fe придает неприятный вкус и запах и осадок. Для удаления соединений Fe, кот. содержатся в виде Fe(НСО3)2, воду аэрируют. Происходит окисление с образованием Fe(ОН)3, кот. выпадает в осадок и выделяется СО2, кот. уносится с воздухом. Если Fe в виде соли сильной кислоты, то аэрацией его не удалить. Для ↓ содержания Fe и кремниевой кислоты можно осуществить коагуляцию смесью FeСl3 и сульфатом Аl по 20 мг/л каждого в пересчете на безводный реактив при 140ºС, рН=7,1-7,2, прод-сть 40 мин. Отстаивание и охлаждение 1,5-2 ч. Затем осветленную воду подают в напорные сборники. Таким образом содержание Fe↓ на 77%, кремниевой кислоты на 35%. Осаждение коллоидов приводит к освобождению воды от органических примесей. 5) Известково-содовый способ (обработка воды гашеной известью и кальцинированной содой), способ ионообмена с использованием различных ионитов. Это твердые, почти не растворимые в воде и орг-ких растворителях материалы, способные к ионному обмену. Они делятся на катиониты и аниониты (Н-, Na- катионит, ОН-,Сl-анионит). В бродильной пром-ти чаще используют сульфоуголь (гранулы размером 0,5-1,2 мм, набухающие в воде) и ионообменные смолы. В зависимости от жесткости и щелочности воды рекомендуются следующие способы подготовки воды: 1. при жесткости не > 5 мг экв/л и щелочности не > 1,5 мг/л – одноступенчатое К-катионирование; 2. при ж. не > 5 мг экв/л и щелочности не < 1,5 мг/л - одноступенчатое К-катионирование с последующим подкислением НСl; 3. при ж. не > 5 мг экв/л и любой щелочности – последовательное ОН- и Н-ионирование и обработка активным углем; 4. при ж. > 5 мг экв/л и любой щелочности – последовательное Н- и ОН-анионирование (катионид-анионид-катионид-анионид) с целью достаточно глубокого обессоливания воды и обработка активным углем. При способах последовательного ОН- и Н-ионирования в смесь + хлордигидрокарбонат Na с последующим фильтрованием ч/з мраморную крошкуСпособ Н-катионирования требует коррозионностойкой аппаратуры. Если вода не отвечает требованиям бактериологической чистоты, то проводят обеззараживание.
3 Сырьевая база микробиологических производств. Общие характеристики сырья микробиологической пром-ти. Источники углерода в питательной среде. Источники азота в сырье. Вспомогательные компоненты в составе сырья.
Общие требования к сырью: должно обеспечивать всеми необходимыми элементами, ростовыми факторами. Природное сырье имеет нестандартный состав, но должно содержать необходимое количество жизненно важных компонентов. Его оценивают по углерод содержащим, азотсодержащим компонентам, по количеству ростовых факторов, по предшественникам. Многие микробиологические произ-ва характеризуются большим расходом исходного сырья на выработку 1 готового продукта. Значительная часть не усваивается м-о, либо может расходоваться на образование вторичных и побочных продуктов. Если ЦП является метаболит, то побоч.- биомасса и наоборот. Поэтому важно организовать производство, чтобы обеспечить рациональное использование сырья, удешевить его, ↑ доступность, воспроизводимость в нужных количествах. Колебания качества сырья связаны с различием регионов, климатических условий и др. Состав может меняться при длительном хранении. Колебания качества сырья могут быть связаны с технологией переработки: кукурузный экстракт, содержащий БАВ, готовят из замочных вод. В технологии присутствует стадия упаривания, кот. должна происходить при t≤110ºС. Необходимо применение вакуум-выпарных установок. Качество сырья зависит от его вида и предназначения. Часто это отходы какого-либо произ-ва, поэтому низкое качество (кукуруз. экстракт, гидролизат, меласса). ТУ на них часто не разработаны и состав меняется от партии к партии. При использовании таких видов сырья делают усреднение партий и добиваются нормализованного состава. Требования к сырью: доступность, дешевизна, стандартный состав, стабильность при хранении, усваиваемость м-о, не относиться к пищевым продуктам. Проблемы с сырьем решаются так: 1. повышение эффективности использования компонентов за счет предварительной обработки питат-х сред; 2. ↑ уровня стандартности сырья за счет строгого соблюдения технологии выращивания и переработки. Необходимо выявить и ввести в ТУ на сырье параметры, характеризующие его биологическую доступность; 3. поиск новых не традиционных источников сырья, возобновляемых и дефицитных; 4. подбор резервного вида сырья при перебое с поставками основного вида сырья.
Источники углерода в сырье: в лабораторных условиях м-о изучают на синтетических средах с точным содержанием компонентов. Иногда пром-ое произ-во должно быть обеспечено простыми углеводами (глюкоза, сахароза, галактоза – произ-во антибиотика, аминокислот), но такие сахара являются ценным пищевым сырьем и значительно дорогим. К более доступным относятся отходы крахмалопаточного производства (гидролизаты, меласса), торф и растительные отходы (деревообрабат-ая пром-ть, с/х), побочные продукты молочной пром-ти, отходы нефтепереработки.
Источники азота в сырье: неорганические соли (аммонийные, нитраты), органические вещества (аминок-ты, белки). Это связано с особенностями продуцентов. Селекционерами создаются ауксотрофы по конкретному орг-му вещ-ву, чтобы более точно организовать синтез ЦП. Ауксотрофность – это невозможность развития данных клеток м-о в отсутствии этого вещ-ва в среде. Кроме них многие м-о лучше растут на средах, содержащих минеральные продукты, богатые азотом и ростовыми факторами. Органические источники азота влияют на синтез многих ценных продуктов. Из наиболее распространенных N-содержащих натуральных субстратов – кукурузный экстракт, соевая мука, гидролизаты дрожжей. Они относятся к дешевому и доступному сырью.
Вспомогательные компоненты сырья: предшественники, ПАВ, антибактериальные препараты. Предшественники – синтетические продукты, входящие в состав молекулы ЦП БАВ. Добавляются в ферментативную среду для интенсификации биосинтеза ЦП, более точного выхода его нужного оптического изомера (при биосинтезе пенициллина + фенилуксусную кислоту). ПАВ – используются для пеногашения (кашалотовый жир, олеиновая кислота и т. д.). В > количествах токсичны для продуцента, в < - стимулируют рост. Антибактериальные препараты – фурадонил (фурацилин). В не > количествах для подавления асептических условий. Могут применяться антибиотики для прямого действия на клетки. Такой прием используется при работе с растительными клетками, так как позволяет получать запрещенные в природе гибриды межвидовые и межродовые. Затем на гибридном протопласте восстанавливается клеточная стенка и создаются условия для размножения гибридной клетки. Протопласты способствуют выделению ЦП в культуральную жидкость и существенно интенсифицируется синтез (сверхсинтез).
4 Характеристика углеводного сырья. Применение гидролитических ферментов в промышленности. Источники амилаз. Методы подработки крахмалосодержащего и целлюлозосодержащего сырья микробиологических производств
Углеводы широко распространены в природе в растительных тканях, синтезируются в зеленых частях. Это вещ-ва, состоящие из углерода, кислорода и водорода с общей формулой СnH2nOn = (CH2O)n. Делятся на группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. 1-ые содержат от 3-х до 9-ти остатков углерода (гексозы- глюкоза, фруктоза и др.; пентозы – рибоза, ксилоза, арабиноза.); 2-ые содержат от 2-х до 10-ти остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями: мальтоза, сахароза, лактоза. 3-и содержат более 10-ти остатков и делятся на гомополисахаоиды и гетерополисахариды. К более доступному углеводному сырью относятся отходы крахмалопаточного производства (гидролизаты), меласса. Гидролизат – сироп темного цвета, содержит 67-72% редуцирующих сахаров и продукты неполного гидролиза крахмала. Меласса – отход производства сахара, богата углеводами и др. органическими и минеральными веществами. Содержит сахарозу, раффинозу, азотистые вещ-ва, аминокислоты, органические кислоты, минеральные вещ-ва, витамины и соли. Ферменты – это биологические катализаторы, они не токсичны, работают в мягких условиях, используют доступное сырье (в том числе и отходы),. Основная часть ферментов приходится на долю гидролаз, использующиеся в качестве детергентов в производстве синтетических моющих средств. Гликозидазы применяются в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков.
К гидролитическим ферментам относятся эстеразы, карбогидразы, пептидазы и др.
Эстеразы: липазы – расщепляют жиры до глицерина и жирных кислот, используются в пищевой, легкой, медицинской промышленности, в сельском хоз-ве, бытовой химии; фосфотазы (лецитиназа и пектинэстераза) – до холина фосфорной кислоты, метанола и жирных кислот, применяются для осветления вина и соков. Карбогидразы: фруктозидаза – сахароза до глюкозы и фруктозы (в кондитерской, ликероводочной, безалкагольной промышленности, сиропопроизводстве), амилаза – крахмал до мальтозы, глюкозы (спиртовая, пивоваренная промышленность, хлебопечение, получение патоки, глюкозы); целлюлаза – целлюлозу до целлобиозы (производство пищевых и кормовых белковых препаратов, этанола, глюкозно-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратная промышленность, хлебопечение, кормопроизводство). Ферменты, гидролизующие азотсодержащие соединения (получение аминокислот, производство сыра, мягчение рыбных и мясных изделий, выделка кожи, активизация пищеварения. Пивоварение, виноделие, хлебопечение, пищевая промышленность, с/х, медицина): протеиназа – белки до полипептидов; дезаминазы (уреаза) – мочевину до аммиака и СО2; деаминазы – аминокислоты до карбоновых кислот и аммиака.
Источники амилаз: бактерии, грибы (Bacillus sp., Aspergillus niger, Asp. Oryzae, Rhizopus niveus)
Крахмал в нативном виде содержит собственно крахмал, белки, жиры и зольные элементы. Используется в пищевой, химико-фармацевтической промышленности, для культевирования м-о, имеющих амилолитическую активность. Перед использованием подвергают предварительному гидролизу ферментативным или кислотным способом. К крахмалосодержащему сырью также относится кукурузная мука и пшеничные отруби.
Свойства крахмала: в холодной воде не растворяется, но при нагревании клейстеризуется. При кипячении с разбавленными кислотами превращается в глюкозу, а при ферментативном – в патоку, в которой находится мальтоза и немного глюкозы. Очень гигроскопичен. Методы подработки: гидролиз может быть кислотный и ферментативный. При гидролизе под действием кислот сначала имеет место ослабление и разрыв связей между макромолекулами амилопектина и амилозы. Это сопровождается нарушением структуры крахмальных зерен и образованием гомогенной массы. Далее идет разрыв α-д-1,4- и α-д-1,6- связей с присоединением по месту разрыва молекул воды. В процессе гидролиза нарастает число свободных альдегидных групп и уменьшается степень полимеризации. Конечный продукт – это глюкоза, на промежуточных стадиях образуются декстрины, три- и тетрасахара, мальтоза. Долгое время кислотный гидролиз был главным при получении глюкозы из крахмала. Недостатки метода: используются высокие концентрации кислот и высокие температуры, это часто приводит к образованию продуктов термической деградации и дегидротации углеводов.
В растениях кроме крахмала содержится клетчатка и целлюлоза. Она практического значения не имеет, в организме животных не разлагается, так как в нем нет фермента, участвующего в гидролизе целлюлозы. Но она способствует нормальной работе кишечника. Из пищевых продуктов целлюлоза содержится в хлебобулочных продуктах, отрубях, сушеных плодах и овощах. Свойства целлюлозы: в воде не набухает, при полном кислотном гидролизе дает глюкозу, устойчива к действию разбавленных кислот и щелочей, в смеси с белками целлюлоза препятствует усвоению белков.
К целлюлозосодержащему сырью относятся гидролизаты полисахаридов, сульфитные щелока и др. Гидролизаты – продукты гидролиза растительного целлюлозосодержащего сырья: древесина, торф, солома, шелуха подсолнечника, риса и др. На начальных этапах происходит измельчение и обработка при повышенных температуре и давлении – крафт-процесс. Затем щелочной гидролиз для удаления лигнинов, гемицеллюлоз и для того, чтобы сделать доступными целлюлозные волокна, кот. гидролизуются кислотным или ферментативным способом. Одностадийный гидролиз приводит к тому, что остаются пентозы и гексозы, а двухстадийный – только гексозы или только пентозы. Смесь после кислого гидролиза – кислый гидролизат, ферментативного – ферментолизат. Кислый гидролизат древесины после обработки, обеспечивающей более глубокий гидролиз, содержит редуцирующие вещ-ва, 70-80% гексоз, остальное пентозы, серную кислоту, органические кислоты, фурфурол. Состав зависит от сырья и используемых технологий. Перед использованием из гидролизата удаляют токсичные вещества, нейтрализуют, очищают. Ферментативный гидролиз происходит при низких температурах и концентрациях. Гидролиз целлюлозы может происходит на границе раздела твердой и жидкой фаз. Для повышения эффективности ведется поиск препаратов, превращающих целлюлозу в продукт более доступный для действия ферментов. Гидролизаты растительного сырья исползуются для производства гидролизного и технического спирта, после этого возможно производство кормовых дрожжей на борде. Возможно на гидролизате получение кормовых дрожжей без получения спирта.
Гидролизаты торфа содержат аминокислоты, органические кислоты, ароматические альдегиды и др. ценные компоненты в доступной и усваиваемой форме. При добавлении торфа к гидролизату древесины увеличивается выход биомассы дрожжей на 50-55%, содержание белка на 46-49%.
Сульфитные щелока – отход целлюлозно-бумажной промышленности. Раствор, в кот. перешли лигнин, гемицеллюлоза, жиры, смолы и др. Щелок содержит моносахара, образующиеся после гидролиза гемицеллюлоз. Из древесины хвойных получается щелок с глюкозой, маннозой, а у лиственных пород – пентозой. Сульфитный щелок – первый в производстве спирта и кормовых дрожжей. Спирт называется серный – самый дешевый, пригодный для технических целей. Щелок перед использованием подвергают дополнительной подработки, т. е. инверсии, нейтрализации, очистки от вредных примесей.