ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7

Тема: Анализировать описанию лабораторной биореакторов и процессы выполнения работ.

Цель: Изучить методы выделения и очистки конечных продуктов биотехнологического производства.

Методическое обеспечение.Методические указания по выполнению практических работ.

Завершающие стадии биотехнологических процессов – выделение целевого продукта – существенно различаются в зависимости от того, накапливается продукт в клетке или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является клеточная биомасса. Наиболее сложным является выделение внутриклеточного продукта. При этом клетки необходимо отделить от среды культивирования, подвергнуть их разрушению, а затем целевой продукт очистить от остатков разрушенных клеток.

Выделение продукта существенно облегчается, если он экскретируется продуцентом в культуральную жидкость. Поэтому одной из насущных задач биотехнологии является создание промышленных штаммов микроорганизмов, секретирующих возможно большее число ценных продуктов в значительных количествах.

Технология выделения и очистки в значительной степени определяется природой целевого продукта. В ряде случаев существует возможность не использовать тщательную очистку продукта, если он обладает требуемыми активностями в неочищенном состоянии и если примесь посторонних веществ не оказывает каких-либо нежелательных влияний при его использовании. Некоторые традиционные биотехнологические процессы вообще исключают этап отделения продукта.

Первым этапом в процессе очистки целевого продукта является разделение культуральной жидкости и клеточной биомассы сепарация. В некоторых случаях сепарации предшествует специальная обработка реакционной смеси, способствующая более эффективному отделению биомассы и стабилизации выделяемого продукта. Применяются различные методы сепарации.

Флотация. Метод используется в том случае, если клетки продуцента в силу низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях содержимого биореактора. Особые устройства (флотаторы) различной конструкции удаляют образующуюся при культивировании пену вместе с прилипшими к пузырькам газа клетками.

Повышение эффективности отбора биомассы достигается вспениванием жидкости с последующим отделением ее верхнего слоя механическим путем. Достоинствами метода является его экономичность, высокая производительность и возможность использования в непрерывных процессах.

Фильтрация. Различны применяемые в настоящее время фильтрующие системы (барабанные, ленточные, тарельчатые фильтры, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы, мембранные фильтры) основаны на одинаковом принципе – задержке биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Недостатком способа является налипание клеток на фильтре, слой которых снижает скорость протока жидкости в процессе фильтрования.

Центрифугирование. Данный способ требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование, поэтому он применяется если: а) суспензия фильтруется слишком медленно; б) возникает необходимость максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся в ней частиц; в) требуется обеспечить непрерывный процесс сепарации, когда фильтры рассчитаны на периодическое действие.

Центрифугирование и фильтрация в некоторых биотехнологических процессах осуществляется в комбинации, т. е. применяются фильтрационные центрифуги, в которых разделение жидкой и твердой фазы основано на двух процессах фильтровании и центрифугировании.

Методы разрушения клеток

Разрушение клеток проводится физическими, химическими и ферментативными етодами. Наибольшее промышленное значение имеют физические способы дезинтеграции:

1) ультразвуком;

2) лопаточными или вибрационными дезинтеграторами – метод, обычно используемый в

пилотных и промышленных установках;

3) встряхиванием со стеклянными бусами;

4) продавливанием через узкие отверстия под высоким давлением;

5) раздавливанием замороженной массы;

6)растиранием в специальных ступках;

7) с помощью осмотического шока;

8) многократным замораживанием и оттаиванием;

9) сжатием клеточной взвеси с последующим резким снижением давления (декомпрессией).

Физические способы дезинтеграции отличаются большей экономичностью в сравнении с другими методами, однако они характеризуются отсутствием выраженной специфичности, вследствие чего обработка может отрицательно влиять на качество получаемого целевого продукта.

Отделение и очистка продуктов

Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или получаемого в результате процессов дезинтеграции гомогената разрушенных клеток осуществляется путем осаждения, экстракции или различных методов адсорбции.

Осаждение растворенных веществ осуществляется физическими (нагревание, разведение или концентрирование, охлаждение раствора) или химическими воздействиями, переводящими растворенное вещество в малорастворимое состояние. Естественно, что в зависимости от целей и свойств выделяемого продукта подбирается тот или иной метод и то или иное воздействие, т. е. подбирается реагент и т. п.

Экстракция подразделяется на твердо-жидкофазную (при которой продукт из твердой фазы переходит в жидкую) и жидко-жидкофазную (когда обеспечивается перевод продукта из одной жидкой фазы в другую, также жидкую фазу).

Твердо-жидкофазная экстракция сводится порой к простой обработке твердого образца водой или органическим растворителем с целью извлечения из него растворимых соединений. Достаточно широко применяются различные органические растворители, в частности экстрагирование ацетоном, который эффективно переводит в раствор ряд липидных и белковых компонентов клеток.

Адсорбция является достаточно распространенным методом отделения продукта и рассматривается в качестве частного случая экстракции, при котором экстрагирующим агентом служит твердое тело.

Механизм ее сводится к связыванию выделяемого из жидкой или газообразной фазы вещества поверхностью твердого тела. Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, пористые глины и т. п.

Более современные методы разделения веществ включают хроматографию, электрофорез, изотахофорез, электрофокусировку, которые основаны на принципах экстракции и адсорбции.

Разделение веществ путем хроматографии основано на их неодинаковом распределении между двумя несмешивающимися фазами. Различают хроматографию на бумаге, пластинках и колонках. При хроматографии на бумаге или на пластинках одной из несмешивающихся фаз является движущийся растворитель, а другой (неподвижной фазой) служат волокна бумаги или частицы покрывающего пластинку какого-то материала (например, силикагеля). При колоночной хроматографии подвижной фазой является протекающий через колонку растворитель, а неподвижную фазу представляет заполняющий колонку адсорбент (чаще всего это гранулированный гель). Колоночная хроматография допускает масштабирование процесса, в результате чего она довольно широко применяется в промышленных условиях и включает несколько разновидностей:

Ионообменная хроматография, колонка наполняется гранулами адсорбента, которые несут заряженные катионные (NH4) или анионные (SO4) группы, способные захватывать ионы противоположного заряда. Данный метод используется для выделения ионизированных веществ из жидкости, а также для очистки нейтральных соединений от примесей ионной природы.

Контрольные вопросы

1. По какому принципу различается стадия выделение целевого продукта?

2. Что такоесепарация ?

3. Что такое флотация?

4. Что такое фильтрация?

5. Что такое центрифугирование ?

6. Основные процессы отделение и очистка продуктов?

Задания для СРСП:

1. Дезинтеграция клеток микроорганизмов.

2. Методы выделения продуктов.

Задание для СРС:

Оформить результаты практической работы № 7. Ответить на вопросы для самопроверки. Подготовиться к опросу по темам лекции и СРСП. 30 тестовых заданий по темам лекции и практической работы № 7.

литература.

Основная.

1. Основы промышленной биотехнологии: Учебник для вузов/под ред. В.В.Бирюкова. – М: «Колос» 2004.

2. Введение в биотехнологию: /под ред. М.Е. Беккер. – М.: Пищевая промышленность 1978.

3. Биотехнология: /под ред. М.Д.Егоров и др. – М.: Высшая школа 1987.

Дополнительная.

1. Биотехнология. Теория и практика. – Алматы. – периодический журнал Национального центра по биотехнологии РК 1996 – 2001.

2. Антибиотики: /под ред. В.Смирнова. – Киев.: Высшая школа 1989.

3. Биотехнология. Свершения и надежды: /под ред. А. Сассон. – М.: Мир 1987.

4. Антибиотики. / под ред. Д. Панчини, Ф. Пареин- М. Мир 1987.

5. Ферментация и технология ферментов./ под ред. Д.И. Вонч и др.-М. Легкая и пищевая промышленность 1983.

та iГлавная цель интернет-журнала «Коммерческая биотехнология» – содействовать развитию и коммерциализации российской биотехнологии. Мы организовали в виртуальном пространстве постоянно действующий фуршет для всех участников этого процесса: • ученых, чьи разработки можно и нужно превратить в коммерческий продукт; • инвесторов, которые могут оценить практичность хорошей теории; • экономистов, юристов, бизнес-консультантов, патентоведов и всех остальных, кто доводит идею до готового продукта; • производителей и продавцов оборудования, реактивов и всего остального, необходимого для работы биотехнологов; • производителей и продавцов конечной биотехнологической продукции; • покупателей этой продукции – и профессионалов в десятках отраслей науки и промышленности, и индивидуальных потребителей всего, что относится к понятию «биотехнология»: от антибиотиков и вакцин до пива и колбасы из генетически модифицированной сои

197110, С-Петербург, а/я 243 (812) 59667nfo@skq-project.ru еменной химической В Москве открылась первая коммерческая биотехнологическая выставка-ярмарка

18:01 | 21/ 11/ 2007

Контрольные вопросы:

6. Непрерывное культивированиеподразделяют?

7. Три главных типа биореакторов?

8. Аппараты с механическим перемешиванием.

9. Аппараты с пневматическим перемешиванием.

10. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоит?

Задание для СРСП:

1. Биотехнологические аспекты получения первичных и вторичных метаболитов

Задание для СРС:

Оформить результаты практической работы № 5. Ответить на вопросы для самопроверки. Подготовиться к опросу по темам лекции и СРСП. Составить 20 тестовых заданий по темам лекции и практической работы № 5.