3. Особливості біотехнологічних процесів

Біотехнологічний процес — це серія взаємопов’язаних реакцій синтезу і розкладу органічних речовин під дією ферментів, при безпосередній участі живих мікроорганізмів або клітин вищих організмів. Промислові біохімічні процеси пов’язані з ферментацією і тому відрізняються від хімічних рядом основних факторів:

1. складним вмістом реакційної суміші (гетерогенна, багатофазна, багатокомпонентна система);

2. одночасно з біохімічною реакцією змінюється маса мікроорганізмів, а продукти, що утворюються нестабільні;

3. сама біохімічна реакція протікає порівняно повільно і має складний механізм;

4. мікроорганізми синтезують особисті каталізатори - ензими;

5. біохімічні перетворення потребують стерильних умов, проходять, як правило, в невеликих інтервалах t і Р, і дуже чутливі до зміни цих параметрів і фізико-механічної дії;

6. біохімічний процес супроводжується піноутворенням а також флотацією клітин біомаси при глибинному культивуванні;

7. інтенсифікація біохімічного процесу меншою мірою ніж хімічного залежить від геометричних розмірів і конструктивних особливостей апарату.

Біотехнологічн процеси класифікують:

1. за фазовим станом реагентів: гомогенні реакції протікають в рідкій фазі з розчиненими ферментами; гетерогенні — за участю «твердої фази», яку складають мікроорганізми, тверде поживне середовище при поверхневому культивуванні. Якщо в реакції бере участь газова фаза, то гетерогенні процеси поділяють на аеробні (з використанням кисню, повітря) і анаеробні (вуглекислого газу);

2. за механізмом перетворень вихідних біологічних матеріалів і вуглеводів у кінцеві продукти: це реакції відновлення, просте і комплексне окиснення, вживання субстрату, трансформація, гідроліз, полімеризація, складний біосинтез, вирощування клітин та ін.;

3. за типом механізму реакції: прості, одночасні (паралельні), послідовні, поетапні. Складні реакції включають комбінацію різних реакцій;

4. залежно від співвідношення швидкості росту мікроорганізмів, швидкості використання субстрату і швидкості утворення продукту біотехнологічні процеси поділяють на 3 групи;

5. всі біотехнологічні процеси пов’язані з культивуванням мікроорганізмів діляться на процеси періодичного і безперервного росту клітин.

Так, періодичний спосіб застосовується у виробництві: амінокислот, антибіотиків, ферментних препаратів та інших продуктів мікробіологічного синтезу. Неперервний ріст мікроорганізмів — основа одержання кормових дріжджів, біологічної очистки вод і т. д.

Основні показники які характеризують процес:

Основні показники біотехнологічного процесу це вміст біомаси, субстрату, продукту і відсутність зараження побічною мікрофлорою. Контроль біохімічного процесу здійснюється за фізичними, хімічними і фізіологічними показниками.

Фізичні: t°, Р, частота обертання мішалки, піноутворення, швидкість потоку повітря (газу), швидкість потоку поживного середовища, в’язкість.

Хімічні: рН, вміст розчинених кисню і вуглекислого газу, вміст кисню і вуглекислого газу в газі, вміст C, N, P, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺, Na⁺, Fe²⁺, SO₄^2- та ін.

Фізіологічний стан продуцента характеризує швидкість росту біомаси, його морфологічний стан (величина і кількість клітин, що діляться), а також ряд біохімічних показників (вміст РНК, ДНК, NAД, NAДН, АТФ, АДФ, АМФ, активність основних ферментів клітини).

Більшість показників визначається періодично, за спеціальною схемою у відібраній пробі, фізичні показники — безперервно за допомогою вмонтованих датчиків, які приєднані до ЕОМ, автоматизовані і можуть працювати по принципу зворотного зв’язку. Для визначення рН і розчиненого кисню застосовують стерильні вмонтовані електроди.

Безперервні біохімічні процеси потребують управління ними, яке можна проводити на основі різних принципів. Розрізняють наступні способи ведення (управління) цих процесів: хемостатичний, турбідостатичний, рН-статичний, оксистатичний.

Хемостатичний — спосіб при якому визначають постійність хімічного складу за компонентом, який лімітує ріст мікроорганізмів. Система стабільна при постійному розбавленні і малих швидкостях потоку лімітуючи компонентів поживного середовища.

Турбідостатичний — спосіб заснований на безпосередньому вимірюванні концентрації в реакторі фізичними методами (спектрофотометрія, нефелометрія). У цьому випадку встановлюється автоматично швидкість розбавлення поживного середовища, яка безпосередньо пов’язана із швидкістю росту мікроорганізмів.

рН-статичний спосіб заснований на регулюванні швидкості потоку рідкої фази за інформацєю про зміну рН середовища (застосовується в однорідних середовищах).

Оксистатичний спосіб базується на регулюванні зміни концентрації розчиненого кисню (зв’язок з швидкістю росту мікроорганізмів не завжди прямолінійний) тому правильний вибір концентрації кисню ускладнений.