Аэрация антибиотика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

бензилпенициллин антибиотик микроорганизм аэрация

Биосинтез - процесс синтеза природных органических соединений живыми организмами или промышленное получение чего-либо (антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот и других необходимых людям веществ) с помощью микроорганизмов. Путь биосинтеза соединения - это приводящая к образованию этого соединения последовательность реакций, как правило, ферментативных (генетически детерминированных), но изредка встречаются и спонтанные реакции, обходящиеся без ферментативного катализа.

Биосинтез антибиотика зависит от уровня биосинтетической активности продуцента антибиотика, времени его максимального накопления, стоимости сред для культивирования организма, в том числе стоимости применяемых предшественников, а также общих энергетических затрат на процессы, связанные с развитием продуцента антибиотического вещества.

Продуценты антибиотиков являются аэробами, следовательно, требуется создать при их синтезе хорошую аэрацию. Аэрация - интенсивное поступление воздуха в различные среды, способствующее быстрому окислению органических веществ. Кислород необходим для биосинтеза ряда антибиотиков, так как влияние растворенного в среде кислорода на биосинтез антибиотика определяется окислительно - восстановительными условиями, которые создаются при аэрации. В целом потребность в кислороде зависит от концентрации биомассы и ее метаболической активности. Назначение аэрации и перемешивания - снабжение культуры кислородом, но одновременно они способствуют поддержанию мицелия во взвешенном состоянии и выравниванию концентрации питательных веществ и продуктов обмена в культуральной жидкости.



1. Аэрация в процессе биосинтеза антибиотиков

Большинство продуцентов антибиотиков являются аэробами. Для биосинтеза многих антибиотиков (пенициллин, стрептомицин и др.) максимальное их накопление происходит при степени аэрации, равной единице, при которой через определенный объем среды за 1 мин продувается такой же объем воздуха.

В процессе развития продуцента антибиотика в промышленных условиях потребность организма в кислороде меняется в зависимости от стадии развития, вязкости культуральной жидкости и других факторов. На определенных стадиях могут возникнуть ситуации, связанные с кислородным голоданием продуцента. В этих условиях следует принимать дополнительные меры, например, повышение концентрации окислителя добавлением пероксида водорода.

Наиболее перспективным методом выращивания микроорганизмов - продуцентов антибиотиков признан метод глубинного культивирования с использованием периодических процессов. В условиях глубинной культуры процесс развития организма и синтеза антибиотика проходит в две фазы.

В первой фазе развития культуры или, как ее иногда называют, тропофазе (фаза сбалансированного роста микроорганизма), наблюдается интенсивное накопление биомассы продуцента, связанное с быстрым потреблением основных компонентов среды и с высоким уровнем поглощения кислорода.

Во второй фазе развития, именуемой идиофазой (фаза несбалансированного роста микроорганизма), накопление биомассы замедлено или даже уменьшено. В этот период продукты метаболизма микроорганизма лишь частично используются на построение клеточного материала, они в основном направляются на биосинтез антибиотика. Обычно максимум продукции антибиотика в среде наступает после максимума накопления биомассы.

1.1 Аэробное и глубинное культивирование микроорганизмов

Аэробное культивирование - аэрация среды - непременное условие в тех микробиологических процессах, в которых используются аэробные микроорганизмы-продуценты. Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от окисляемого источника углерода и от физиологических свойств и активности роста микроорганизмов. Для биосинтеза 1 кг дрожжевой биомассы необходимо, например, 0,74-2,6 кг молекулярного кислорода. При интенсивном потреблении субстрата независимо от источника углерода продуцент ассимилирует 0,83-4,0 мг кислорода/1 л среды/мин.

Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов. При давлении 0,1 МПа и температуре 30°С в 1 л дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,5 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода колеблется в интервале 2-5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5-2 мин.

При глубинном культивировании запасы кислорода в питательной среде возобновляются при подаче аэрирующего воздуха. Скорость абсорбции кислорода увеличивается с ростом интенсивности перемешивания среды. Во время роста биомассы микроорганизмы обычно потребляют больше кислорода, чем во время сверхсинтеза целевого метаболита. Принято говорить о критической концентрации кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток. Для большинства аэробных микроорганизмов, растущих в сахаросодержащих субстратах, критическая концентрация кислорода 0,05-0,10 мг/л, что соответствует 3-8% от полного насыщения среды кислородом. Лимитация роста и физиологической деятельности клеток наблюдается при более высоких концентрациях кислорода: на средах с глюкозой рост дрожжей лимитируется при рО₂ на уровне 20-25% от полного насыщения. Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода 50-60% от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов - 10-20%.

1.2 Методы культивирования антибиотиков

В современных условиях наиболее перспективным методом выращивания микроорганизмов - продуцентов антибиотиков или других биологически активных соединений признан метод глубинного культивирования. Метод состоит в том, что микроорганизм развивается в толще жидкой питательной среды, через которую непрерывно пропускается стерильный воздух, и среда перемешивается.

Можно выделить четыре основные модификации глубинного способа выращивания микроорганизмов.

1. Периодическое культивирование. При этом способе весь процесс развития микроорганизмов полностью завершается в одном ферментере, после чего ферментер освобождается от культуральной жидкости, тщательно промывается, стерилизуется и вновь заполняется свежей питательной средой. Среда засевается изучаемым микроорганизмом, и процесс возобновляется. Выращивание микроорганизмов-продуцентов антибиотиков, протекающее в аэробных условиях, требует подачи больших количеств стерильного воздуха для аэрации. Аэрировать культуру микроорганизмов можно продуванием через толщу среды стерильного воздуха, скорость протекания воздуха через среду необходимо контролировать. Мягкое перемешивание и аэрацию обеспечивает пневматический способ перемешивания потоком сжатого стерильного воздуха, подаваемого в ферментер с восходящим током воздуха.

2. Отъемный метод. Культивирование микроорганизмов осуществляется в ферментерах с периодическим отбором части объема культуральной жидкости (от 30 до 60% общего объема). Объем культуральной жидкости в ферментере при этом доводится свежей питательной средой до исходного уровня, аэрация протекает аналогично периодическому культивированию.

3. Батарейный способ. Развитие микроорганизмов проходит в ряду последовательно соединенных ферментеров. Культуральная жидкость на определенной стадии развития микроорганизма перекачивается из первого ферментера во второй, затем из второго - в третий и т.д. Освобожденный ферментер немедленно заполняется свежей питательной средой, засеянной микроорганизмом. При этом способе выращивания микроорганизмов происходит более рациональное использование емкостей.

4. Непрерывное культивирование. Метод принципиально отличен от указанных модификаций глубинного культивирования продуцентов антибиотиков. В основе этого метода лежит то, что развитие микроорганизма происходит в условиях непрерывного протока питательной среды при ее тщательном перемешивании и аэрации, что позволяет поддерживать развитие микроорганизма на определенной стадии его роста. Стадия развития микроорганизма определяется исходя из наиболее выгодного для максимального биосинтеза антибиотика или другого биологически активного соединения.

Еще один метод культивирования микроорганизмов - поверхностное культивирование. Метод поверхностного культивирования на различных агаризованных средах широко применяется в лабораторной практике и в некоторых промышленных процессах, в частности для сохранения коллекционных культур, для изучения физиологических и биохимических свойств микроорганизмов, для аналитических целей. Для аэрации культур микроорганизмов используется обычный воздух. Продувание сред кислородом в лабораторных условиях не рекомендуется, так как чрезмерное насыщение среды кислородом (до 40 мг/л) может привести к угнетению роста микроорганизмов. В промышленном масштабе этот метод нашел применение при получении спорового материала для производства органических кислот с помощью плесневых грибов рода Aspergillus.

При поверхностном методе культуру микроорганизма-продуцента выращивают на поверхности тонкого слоя жидкой или твердой среда. Жидкие питательные среды используют в основном при производстве органических кислот (лимонной, итаконовой), твердые - при производстве комплексов на основе крахмального и целлюлозу содержащего сырья.

1.3 Аппараты с использованием процесса аэрации

Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду (высота слоя составляет 80-150 мм), затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.

При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10-15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков. Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача - обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой.

По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.

Конструктивные различия ферментеров (биореакторов) определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:

* ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе;

* ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе;

* ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

Ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер (биореактор) под определенным давлением. К таким ферментерам (биореакторам) относят:

* барботажные ферментеры (биореакторы), подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;

* аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;

* трубчатые ферментеры (биореакторы) (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь таким образом циркуляции;

* ферментеры (биореакторы) с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости;

* ферментеры (биореакторы) колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

Ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе. К таким аппаратам относят:

* аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;

* ферментер (биореактор) с турбоэжекторными перемешивающими устройствами - аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.

Ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии. В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментер (биореактор) представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки. Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.

Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.

Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды.

Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи», типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой). Ферментеры (биореакторы) обычно представляют собой герметические цилиндрические емкости, высота которых в 2-2,5 раза превышает диаметр. Чаще всего их изготовляют из нержавеющей стали. Для поддержания температуры в аппарате имеется двойной кожух или теплообменник типа змеевика.

Главное требование к аппаратам - сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем ферментера (биореактора) обычно не превышает 7/10 общего объема. Тип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой - скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью. Скорость перехода кислорода из газовой фазы в жидкую выражают через объемную скорость абсорбции. Изменение концентрации кислорода в жидкой фазе характеризуется уравнением dC/dt = KLa (Cp - С), где KLa - объемный коэффициент массопередачи на границе газ-жидкость; Сp - равновесная концентрация кислорода в среде; С - фактическая мгновенная концентрация кислорода в среде.

2. Материальные расчеты в процессе ферментации бензилпенициллина

2.1 Предварительные расчеты

1).Определяем суточную мощность производства по готовому продукту:

G_{сут.г.пр.} = , млрд. ЕД,

где N_год = 270000 млрд. ЕД,

n_раб.дн. - число рабочих дней в году,

n_раб.дн. = m_дн. - m_дн.ППР, дней

где m_дн.ППР - число дней на планово-предупредительный ремонт

оборудования в соответствии с «Положение о планово - предупредительном ремонте оборудования предприятий медицинской промышленности.

Принимаем равным 18 дням.

n_{раб. дн.} = 365 - 18 = 347 дней

G_{сут.г.пр} = = 778,1 Ч 10⁹ ЕД

2).Определяем суточную мощность наработки культуральной жидкости с учетом общего выхода готового продукта от культуральной жидкости:

G_{сут.к.ж.} = , млрд. ЕД,



где n_общ. - общий выход готового продукта от культуральной жидкости.

n_общ. = 60% [Д.К.]

G_{сут.к.ж.} = = 1296,83 млрд. ЕД

3).Определяем суточный объем культуральной жидкости:

V_{сут.к.ж.} = , м³

где А_кж. - активность культуральной жидкости

А_к.ж. = 23000 ЕД/мл

V_{сут.к.ж.} = = 56,38 м³

2.2 Расчет количества посевных аппаратов

1).Определяем загрузочную вместимость ферментатора:

V_загр.ф. = V_пол.ф. Ч ц_загр, м³

где ц_загр - коэффициент загрузки ферментатора средой

ц_загр = 0,7 [1]

V_загр.ф. = 50 Ч 0,7 = 35 м³

2). Определяем рабочую вместимость посевного аппарата:

По данным завода принимаем процент посевного материала от загрузочной вместимости ферментатора 15-20%.

V_pa6.n.а. = V_загр.ф. Ч 0,15, м³

V_pa6.n.а. = 35 Ч 0,15 = 5,25 м³

3).Определяем вместимость посевного аппарата:

V_n.а. = , м³

где - коэффициент заполнения аппарата при сливе

= 0,5 [Д.К.]

V_n.а. = = 10,5 м³

По каталогу принимаем к установке посевной аппарат вместимостью 10 м³

4).Определяем количество посевных аппаратов к установке:

n_п.а. = к Ч ,

где к - коэффициент отбраковки посевного материала в посевном аппарате

к = 1,05 [Д.К.]

- время оборачиваемости посевного аппарата с подготовкой

18 ч - режим [1]

8 ч - подготовка [1]

= 26 ч [1]

= 167 ч [1]

n_п.а = 1,05 Ч = 1,6

Принимаем к установке 2 посевных аппарата.

2.3 Материальный баланс стадии выращивания посевного материала бензилпенициллина в посевном аппарате

Уравнение материального баланса:

m_комп. + m_конд. + m_воды + m_{пос.мат.} = m_{вег.пос.мат.} + m_брызг + m_{мех.пот.}

1).Определяем массу питательной среды для посевного аппарата:

m_пит.ср. = V_пит.ср. Ч p_пит.ср.

где V_пит.ср. - объем питательной среды

V_пит.ср. = V_pa6.n.а. - V_{пос.мат.ин.,} м³

где V_pa6.n.а. - рабочий объем посевного аппарата

V_pa6.n.а. = Vполн. Ч 0,5 м³

V_pa6.n.а. = 10 Ч 0,5 = 5 м³

V_{пос.мат.ин.} = 0,4 м³

V_пит.ср. = 5 - 0,4 = 4,6 м³

p_пит.ср. - плотность питательной среды

p_пит.ср. = 1010 кг/ м³

m_пит.ср. = 4,6 Ч 1010 = 4646 кг

2).Расчет массы компонентов на загрузку посевного аппарата:

m_комп. = [1]

где m_пит.ср. = 4646 кг

с - содержание компонента в среде, в процентах

n - содержание компонента в сырье, в долях единиц

Определяем массу кукурузного экстракта:

m_кук.эк. = = 241,98 кг

Определяем массу зеленой патоки:

m_{зел.пат.} = = 439,34 кг

Определяем массу селитры аммиачной:

m_сел.ам. = = 23,25 кг

Определяем массу жира животного:

m_ж.ж. = = 23,23 кг

Определяем массу мела:

m_м. = = 23,58 кг

Определяем массу диаммония фосфата:

m_д.ф. = = 9,29 кг

Определяем массу щелочи для доведения pH

По данным комбината на 1 кг питательной среды расходуется 7 кг 42% раствора щелочи.

1 м³ - 7 кг

5,7 м³ - х

х = 39,9 кг

Общий расход компонентов входящих в состав питательной среды

№	Наименование компонентов	Содержание в сырье, в процентах	Содержание в среде, в долях единиц	Масса, кг
1.	Кукурузный экстракт	48,0	2,5	241,98
2.	Зеленая патока	42,3	4,0	439,34
3.	Селитра аммиачная	99,5	0,5	23,35
4.	Жир животный	т.м.	0,5	23,23
5.	Мел химически осажденный	98,5	0,5	23,58
6.	Диаммония фосфат	т.м.	0,2	9,29
7.	Натр едкий	42,0		39,9
	Итого:			800,67

3).Расчет массы конденсата

Принимаем в количестве 8 - 10% от массы питательной среды:

m_конд. = 8% Ч m_{пит.ср.,} кг

m_конд. = 0,08 Ч 4646 = 371,68 кг

4).Расчет массы питьевой воды для разбавления компонентов питательной среды:

m_воды = m_пит.ср. - m_комп. - m_конд., кг

m_воды = 4646 - 800,67 - 371,68 = 3473,65 кг

5).Расчет массы брызгоуноса:

Принимаем 5 - 7% от массы питательной среды

m_брызг = 5% Ч m_{пит.ср.,} кг

m_брызг = 0,05 Ч 4646 = 232,3 кг

6).Расчет массы механических потерь:

Определяем как потери питательной среды в результате отбора проб

m_{мех.пот.} = (1 проба до посева + 1 проба после посева + + 1 проба перед подачей в БФ) Ч1,5, кг

где - время режима посевного аппарата

= 18 ч [1]

1,5 - масса потерь вегетативного посевного материала

8 - время подготовки посевного аппарата

m_{мех.пот.} = (1 + 1 + + 1) Ч1,5 = 7,88 кг

7).Расчет массы посевного материала из посевного аппарата:

Определяем из уравнения материального баланса

m_{пос.мат.} = m_комп. + m_конд. + m_воды + m_{вег.пос.мат.} - m_брызг - m_{мех.пот.,} кг

m_{пос.мат.} = 800,67 + 371,68 + 3473,65 + 1425,75 - 232,3 - 7,88 = 5831,57 кг

8).Определяем объем посевного материала из посевного аппарата:

V_{пос.мат.} = м³

где m_{пос.мат.} = 5831,57 кг (7)

p_{пос.мат.} = 1050 кг/ м³ [Д.К.]

V_{пос.мат.} = = 5,6 м³



Заключение

Большое значение имеет аэрация. Аэрация - это определенные действия, в результате которых происходит компенсирование дефицита кислорода в той или иной среде. Парадоксально, но совсем небольшие количества свежего воздуха способны делать чудеса для любого живого существа. Как видно, область применения достаточно разнообразна и многогранна, но считается, что использование аэрации - одно единственное действие человека, которое ни в коей мере не вредит природе.

В данной работе мы познакомились с технологическим процессом производства бензилпенициллина, рассмотрели основные стадии производства, провели материальные расчеты.



Список используемой литературы

1. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках: Учебник 6 - е изд., перераб. и доп. / Н.С. Егоров - М.: Изд - во МГУ; Наука - 2004. - 528 с. - (Классический университетский учебник);

2. Баснакьян И.А. Культивирование микроорганизмов с заданными свойствами. М.: Медицина, 2008. 192 с.;

3. Методы культивирования клеток. Л.: Наука, 2006. 315 с.;

4. Езерский M. Антибиотики // Химико-фармацевтический журнал, 2007, №7, С. 6-13;

5. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В. Бирюков. - М. Колосс, 2004.;

6.А.С. Лабинская Микробиология с техникой микробиологических исследований - М.: Медицина, 2008 г.

Размещено на Allbest.ru

...