Промышленная биотехнология (10430)

Посмотреть архив целиком

Промышленная биотехнология


Технология ферментных препаратов


Производство ферментов при поверхностном культивировании продуцентов

При поверхностном методе культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Мицелий полностью обволакивает и довольно прочно скрепляет твердые частицы субстрата, из которого получают питательные вещества. Поскольку для дыхания клетки используют кислород, то среда должна быть рыхлой, а слой культуры-продуцента небольшим.

Выращивание производственной культуры происходит обычно в асептических условиях, но среду и кюветы необходимо простерилизовать. Перед каждой новой загрузкой также необходима стерилизация оборудования.

Преимущества поверхностной культуры: значительно более высокая конечная концентрация фермента на единицу массу среды (при осахаривании крахмала 5 кг поверхностной культуры заменяют 100 кг культуральной жидкости), поверхностная культура относительно легко высушивается, легко переводится в товарную форму.

Посевной материал может быть трёх видов:

- культура, выросшая на твердой питательной среде;

- споровый материал;

- мицелиальная культура, выращенная глубинным способом.

В три этапа получают и посевную культуру. Сначала музейную культуру продуцента пересевают на 1 - 1.5 г увлажненных стерильных пшеничных отрубей в пробирку и выращивают в термостате до обильного спорообразования. Второй этап - аналогично, но в колбах, третий - в сосудах с 500 г среды.

Основу питательной среды составляют пшеничные отруби, как источник необходимых питательных и ростовых веществ. Кроме того, они создают необходимую структуру среды. Для повышения активности ферментов к отрубям можно добавлять свекловичный жом, соевый шрот, крахмал, растительные отходы. Стерилизуют среду острым паром при помешивании (температура - 105-140 С, время 60-90 минут). После этого среду засевают и раскладывают ровным слоем в стерильных кюветах. Кюветы помещают в растильные камеры. Культивируют в течение 36-48 часов.

Рост делится на три периода, примерно равных по времени. Сначала происходит набухание конидий и их прорастание (температура не ниже 28о С), затем рост мицелия в виде пушка серовато-белого цвета (необходимо выводить выделяемое тепло) и образование конидий. Для создания благоприятных условий роста и развития продуцента необходима аэрация и поддержание оптимальной влажности (55-70%).

Выросшая в неподвижном слое при поверхностном культивировании культура представляет корж из набухших частиц среды, плотно связанных сросшимся мицелием. Массу размельчают до гранул 5-5 мм. Культуру высушивают до 10-12% влажности при температурах не выше 40оС, не долее 30 минут. Иногда препарат применяют прямо в неочищенном виде - в кожевенной и спиртовой промышленности. В пищевой и особенно медицинской промышленности используются ферменты только высокой степени очистки.

Схема очистки сводится к следующему:

- освобождение от нерастворимых веществ;

- освобождение от сопутствующих растворимых веществ;

- фракционирование (как правило, хроматографическими методами).

Для выделения фермента из поверхностной культуры необходима экстракция. Как правило, экстраген - вода. При этом в раствор переходят сахара, продукты гидролиза пектиновых веществ и целлюлозы. Стадию выделения и очистки завершает сушка. После сушки препарат должен содержать не более 6-8% влаги, тогда он может в герметичной упаковке храниться до года без потери активности.

Стандартизация ферментного препарата - доводка активности фермента до стандартной, соответствующей требованиям ГОСТ. Для этого используются различные нейтральные наполнители - крахмал, лактоза и др.

Учитывая огромные перспективы применения ферментных препаратов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, медицине, можно сделать заключение о необходимости расширения исследований в этой области для оптимизации технологии и гарантийного получения высокоактивных и стабильных препаратов микробных ферментов.


Ферментные препараты

Ферментные препараты, высокоактивные катализаторы различных биохимических процессов. Различают ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. По объему и ассортименту среди выпускаемых ферментных препаратов доминируют препараты, полученные путем микробиологического синтеза. Технология их производства основана на культивировании специально отобранных штаммов микроорганизмов — активных продуцентов ферментов, с последующим выделением препаратов. Наименование ферментных препаратов складывается из сокращенного названия основного фермента и видового названия продуцента. Препараты, полученные при поверхностном способе культивирования, имеют индекс П, при глубинном — Г. Индексом х обозначают степень концентрирования и очистки препарата в процессе выделения. Для интенсификации технологический процессов виноделия ферментная промышленность предлагает ряд комплексных препаратов грибного происхождения, различающихся по величине активности и соотношению гидролитических ферментных систем, оказывающих многообразное действие на высокомолекулярные вещества винограда и вина. При получении ординарных вин всех типов широкое применение получили пектолитические ферментные препараты — Пектаваморин П 10х и Г 10х, а также Пектофоетидин П 10х и Г 10х. Препараты стандартизуются по общей пектолитической активности; в качестве основных ферментов они содержат полигалактуроназу эндо- и экзодействия и пектинэстеразу, а в качестве сопутствующих — протеиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы. Активность кислой протеиназы в препарате Пектофоетидин П 10х в 2 раза выше по сравнению с препаратом Пектаваморин П 10х. Оптимальные условия действия препаратов: рН 3,5—4,0, температура 35°—40°С. При получении крепленых, а также красных столовых виноматериалов ферментные препараты вносят в мезгу, при этом повышается общий выход сусла на 1—5%, а сусла-самотека на 10—20%, облегчается прессование, увеличивается содержание экстрактивных веществ и интенсивность окраски, ускоряются биохимические процессы, протекающие при созревании вин. При приготовлении белых столовых вин ферментные препараты вносят в сусло. Процесс осветления сусла ускоряется в 2—3 раза, количество гущевых осадков снижается на 4—5%. Пектолитические ферментные препараты могут быть использованы для обработки трудноосветляемых виноматериалов. При этом значительно сокращается расход оклеивающих веществ, повышается стабильность вин к помутнениям коллоидного характера.

С положительным технологическим результатом было апробировано применение опытных партий протеолитических ферментных препаратов — Протаваморина П 10х и Проторизина П 10х, катализирующих гидролиз белковых веществ сусла и вина, сопровождающийся накоплением пептидов и аминокислот. Разработан способ иммобилизации кислой протеиназы, выделенной из ферментных препаратов. Пектаваморин П 10х, позволивший многократно использовать фермент, повысить его стабильность к ингибирующему действию среды и создать непрерывный процесс обработки виноградного сока и вин с целью устранения помутнений белкового характера.

Активный комплекс ферментов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, обнаруженный в препаратах Цитороземин П 10х, Ксилонигрин П 10х, Целлолигнорин П 10х, Целлоконингин П 10х и Целлобранин П 10х, обеспечивает более глубокую степень мацерации растительной ткани при использовании вышеназванных ферментных препаратов по сравнению с пектолитическими ферментными препаратами. Использование целлюлолитических и пектолитических ферментных препаратов позволяет усовершенствовать технологию переработки сладких виноградных выжимок. При этом увеличивается выход спирта-сырца и снижается процент примесей в осадке виннокислой извести. Дозировки ферментных препаратов, зависящие от его активности, устанавливают пробной обработкой. Обычно используют суспензии ферментных препаратов концентрацией от 1 до 10%, которые готовят непосредственно перед внесением в обрабатываемый материал. Перспективы дальнейшего совершенствования приемов использования ферментативного катализа в виноделии связаны с созданием композиций высокоочищенных ферментов строго регламентированного состава, а также с получением иммобилизованных форм различных ферментных препаратов.


Источники


1. Датунашвили Е.Н. Применение ферментных препаратов в виноградном виноделии. — В кн.: Ферментные препараты в пищевой промышленности /Под ред. В.Л. Кретовича, В. Л. Яровенко. Москва, 1995;

2. Зинченко В.И. Применение цитолитнческого ферментного препарата в виноделии. — К., 1995; Калунянц К.А., Голгер Л.И. Микробные ферментные препараты: Технология и оборудование. — Москва, 2002;

3. Садыхов И.И. и др. Технологические и экономические аспекты переработки виноградных выжимок с использованием ферментных препаратов. — Виноделие и виноградарство СНГ, 1988; №4; Технологическая инструкция по применению пектопротеолитических ферментных препаратов при производстве виноградных вин. — В кн.: Сборник технологических инструкций, правил и нормативных материалов по винодельческой промышленности /Под ред. Г. Г. Валуйко, 6-е изд. 1985.


Биологическая очистка сточных вод. Немного теории


Краткая историческая справка


Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым  отходы жизнедеятельности людей и животных  транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века  в Англии был изобретен туалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали  в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы  очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки  городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых в России достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.


Основные принципы биологической очистки воды


Очистка сточных вод подразумевает практически полное биологическое разложение органических соединений в воде. По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.

Аэробный процесс


С6Н12О6 +6О2 --> 6СО2 +6Н2О + микробная биомасса + тепло


Анаэробный процесс


С6Н12О6 --> 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса  + тепло


Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.



Рис. 1.1. Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод.

Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном  сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium  и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению  летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой  и уксусной, снижениию рН и остановке  процесса.

Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная  анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентоированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией (Рис. 1.1). Выбор технологии  и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них.

Сточные воды больших городов и небольших поселков значительно отличаются по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200–300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 500-1000 г/л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органичеаских загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты.


Биопрепараты как средство для инициации и интенсификации очистки сточных вод


В настоящее время существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных вод. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур обычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод. Они используются для очистки сточных вод местного значения, например в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини-заводах и т.п. Биопрепараты, содержащие ограниченное число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако, они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнениий. В нестерильном процессе развиваются также микроорганизмы, содержащиеся в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья.

Действие микроорганизмов биопрепаратов в том, что в процессе своей жизнедеятельности они вырабатывают ферменты, которые способны, расщеплять жиры, белки и другие сложные вещества органического происхождения на более простые органические вещества, которые легко разлагаются  ими до углекислоты и простых соединений азота. После добавления препарата возрастает концентрация микроорганизмов, а следовательно и степень очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют на твердом дисперсном носителе, который может служить дополнительным источником азота и фосфора. Препараты содержат ассоциации 6-12 штаммов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очистку сточной воды от органических загрязнителей: жиров, белков, сложных углеводов, и даже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементов биопрепараты содержат соли азота и фосфора, которые стимулируют рост микроорганизмов и выработку микроорганизмами липолитических, амилазолитических, карбогидразных, и др. ферментов, максимально облегчающих разложение органики. Аналогичные биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются также при производстве компоста, в биотуалетах и т. п.


Высокоэффективная энергопродуцирующая очистка концентрированных сточных вод промышленности


Многие отрасли промышленности (пищевая, целлюлозобумажная, микробиологическая, химическая, фармацевтическая и др.) являются масштабными производителями концентрированных по органическим загрязнениям сточных вод. Традиционным способом обработки этих сточных вод в России является аэробная биологическая очистка, сопряженная с большими затратами на аэрацию и утилизации избытка активного ила. Помимо крайней экономической неэффективности такого подхода, переменный состав сточных вод и высокая концентрация загрязнений часто приводит к перегрузкам сооружений аэробной биологической очистки, в результате чего загрязнения беспрепятственно попадают в окружающую среду (реки, озера, грунтовые воды). Очевидно, что такая практика имеет крайне негативные экологические последствия и ведет к бессмысленному расходованию полезных веществ, заключенных в сточных водах. Экономически эффективным и экологически приемлемым решением существующей проблемы может служить комбинированная анаэробно-аэробная технология очистки концентрированных сточных вод, разрабатываемая в настоящий момент на кафедре химической энзимологии Химического ф-та МГУ. Технологическая схема этого процесса может быть представлена следующим образом:





В соответствии с этой схемой, сточная вода поступает в высокоскоростной анаэробный реактор с грануллированной (иммобилизованной) биомассой (UASB-реактор), где происходит как минимум 90% конверсия органических загрязнений в биогаз (70% метана, 30% углекислого газа). Биогаз после очистки от следов сероводорода является ценным энергоносителем и может использоваться в заводских котельных для генерации тепла/пара или конвертироваться в электроэнергию в газогенераторах. Эффлюент анаэробного реактора содержит не более 10 % от начального содержания ХПК, а также азот и фосфор в минерализованном виде. Такой эффлюент может использоваться как эффективное жидкое удобрение, если позволяют условия, или сбрасываться в канализационные системы очистки сточных вод, если таковые существуют. В случае отсутствия или перегрузки последних анаэробный эффлюент может быть доочищен аэробными методами до стандартов (БПК, N, P и др.) сброса в открытые водоемы.

Преимущества предлагаемой комбинированной технологии по сравнению, например, с традиционной аэробной очисткой (аэротенки, биофильтры, биопруды) заключаются в следующем.

  1. Кардинальное снижение энергозатрат на аэрацию, так как предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод, естественно, не требует затрат энергии на аэрацию, удаляяя при этом 90% и более ХПК загрязнений; электроэнергия на анаэробной стадии необходима только для перекачки сточных вод, как правило, не более 0.02-0.06 кВт ч/м3.


Случайные файлы

Файл
159307.rtf
2631.rtf
50172.rtf
53268.doc
73470-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.