Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
1.1. Теоретические основы трансмембранного массопереноса .
1.1.1. Классификация основных мембранных процессов
1.1.2. Движущая сила мембранных процессов
1.1.3. Основные сепарационные характеристики мембранных процессов разделения
1.1.4. Особенности и преимущества мембранных процессов разделения
1.1.5. О механизмах трансмембранного массопереноса
1.1.6. Кинетика трансмембранного массопереноса
1.2. Полупроницаемые мембраны для разделения жидких смесей
1.3. Мембранные аппараты и установки
1.3.1. Классификация мембранной аппаратуры
1.3.2. Анализ конструктивных и технологических особенностей мембранных аппаратов основных типов
1.3.2.1. Волоконные мембранные аппараты
1.3.2.2. Рулонные мембранные аппараты
1.3.2.3. Патронные мембранные аппараты
1.3.2.4. Трубчатые мембранные аппараты
1.3.2.5. Аппараты с плоскими мембранными элементами
1.4. Технологические особенности и проблемы мембранного выделения ферментов в производстве ферментных препаратов
1.4.1. Влияние некоторых параметров процесса на показатели мембранного выделения ферментов
1.4.2. Предварительная подготовка ферментсодержагцих сред перед мембранным разделением 1.4.3. Анализ причин потерь ферментов при мембранном разделении
1.5. Технологические особенности и проблемы инженерной энзимологии
1.5.1. Теоретические основы биокатализа
1.5.2. Основные проблемы промышленной реализации ферментативного гидролиза
1.6. Перспективы бесклеточной биотехнологии
1.7. Выводы из литературного обзора и задачи исследований
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Основы системных исследований биотехнологических производств
2.1.1. Основные понятия системологии
2.1.2. Системность биотехнологических производств
2.1.3. Строение биотехнологической системы
2.1.4. Биотехнологический поток - основная часть биотехнологической системы
2.1.4.1. Морфология и классификация технологических операций
2.1.4.2. Морфология и классификация биотехнологических потоков
2.2. Организация проведения исследований
2.3. Исследуемые ферментные системы и применяемые материалы
2.4. Методы экспериментальных исследований
2.5. Экспериментальные установки
2.5.1. Лабораторная установка с мембранным аппаратом, снабженным перемешивающим устройством
2.5.2. Лабораторная установка с мембранным аппаратом тонкоканального типа
2.5.3. Лабораторная мембранная установка СУФУ-2
2.5.4. Лабораторная мембранная установка "Lab-Unit 200,7 Г
2.5.5. Опытно-промышленные мембранные установки
ГЛАВА 3. БИОТЕХНО ЛОГИЧЕСКИМ ПОТОК КАК СИСТЕМА ПРОЦЕССОВ
3.1. Организация биотехнологических потоков ферментных производств
3.2. Моделирование и анализ биотехнологических потоков ферментных производств
3.3. Краткие выводы
ГЛАВА 4. ОРГАНИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СИСТЕМ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ СРЕД
4.1. Анализ систем мембранного разделения ферментных смесей
4.1.1. Ферментные системы как объекты мембранного разделения
4.1.2. Исследования механоинактивации ферментов
4.1.3. Полупроницаемые мембраны как основные функциональные элементы мембранных систем
4.1.3.1. Критерии выбора полупроницаемых мембран
4.1.3.2. Влияние структуры полупроницаемых мембран на показатели их функционирования
4.1.3.3. Влияние направления трансмембранного массопереноса через анизотропную мембрану
4.1.3.4. Исследование химической стойкости и биологической инертности мембран
4.1.3.5. Обоснование выбора полупроницаемых мембран для разделения ферментсодержащих сред
4.1.4. Исследования влияния основных входных параметров на выходные параметры мембранных систем разделения
4.1. Влияние размера пор мембраны
4.1. Стабилизация основных характеристик мембран .
4.2. Моделирование строения систем мембранного разделения ферментных сред
4.3. Краткие выводы
ГЛАВА 5. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ СРЕД
5.1. Феноменологические модели трансмембранного переноса при разделении ферментных систем
5.2. Функционирование мембранных систем при разделении гомогенных ферментных систем
5.2.1. Влияние рабочего давления
5.2.2. Влияние температуры разделяемой смеси
5.2.3. Влияние рН разделяемой смеси
5.2.4. Влияние степени концентрирования раствора и концентрации растворенных веществ
5.2.5. Влияние предварительной очистки фермент содержащих сред
5.2.6. Обратноосмотическое разделение ультра фильтрационных пермеатов
5.3. Функционирование мембранных систем при разделении гетерогенных ферментных сред
5.3.1. Обоснование выбора микрофильтрационных мембран для разделения гетерогенных ферментных систем
5.3.2. Интенсификация мембранного разделения гетерогенных ферментных систем
5.4. Краткие выводы А
6. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ФЕРМЕНТСОДЕРЖАЩИХ СРЕД
6.1. Развитие мембранных систем вследствие изменения их организации и структуры
6.1.1. Изменение структуры системы за счет введения в нее дополнительной подсистемы
6.1.1.1. Введение дополнительной подсистемы в основной технологический поток
6.1.1.2. Введение дополнительной подсистемы в побочную ветвь технологического потока
6.1.2. Изменение структуры системы за счет замены одной подсистемы другой
6.2. Развитие мембранных систем за счет изменения их организации 6
.3. Развитие мембранных систем за счет изменения системообразующих элементов
6.3.1. Развитие мембранных систем за счет совершенствования применяемых мембран
6.3.2. Развитие мембранных систем за счет совершенствования применяемой аппаратуры
6.3.2.1. Разработка мембранного модуля
6.3.2.2. Разработка мембранного аппарата
6.3.2.3. Разработка аппаратурного оформления очистки и концентрирования ферментов
6.4. Развитие мембранных систем за счет совершенствования управления
6.5. Развитие систем мембранного разделения за счет изменения структуры разделяемых ферментных систем
6.6. Экономическая оценка практических разработок по развитию мембранных систем выделения ферментов
6.7. Краткие выводы
7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ НА ОСНОВЕ БИОМЕМБРАННЫХ СИСТЕМ
7.1. Перспективы развития производства ферментных препаратов на основе биомембранных систем
7.1.1. Биомембранные системы для культивирования микроорганизмов - продуцентов ферментов
7.1.2. Системы мембранной аэрации в биореакторах
7.1.3. Мембранные системы контроля и управления биотехнологическими процессами
7.1.3.1. Мембранные системы ферментационного мониторинга
7.1.3.2. Биомембранные контрольно-измерительные
системы
7.1.4. Теоретические предпосылки к созданию биомембранных систем для бесклеточного синтеза белка
7.2. Перспективы развития производств инженерной энзимо- логии на основе биомембранных систем
7.2.1. Биокаталитическая система на основе реактора колонного типа
7.2.2. Биокаталитические системы на основе мембранного биореактора
7.2.3. Установка для биоконверсии растительного сырья на основе мембранного биокаталитического реактора .
7.3. Краткие выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
На современном этапе экономического развития Российской Федерации на первый план выходят проблемы повышения эффективности различных отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности, сельского хозяйства, медицины и экологии, все более обостряются проблемы ликвидации белкового и энергетического дефицита, восполнения продовольственных и кормовых ресурсов. Причем некоторые из них выходят за рамки региональных или государственных и приобретают глобальный характер.
Эти проблемы могут быть успешно решены с помощью биотехнологии, в частности одного из ее перспективных направлений - инженерной энзимологии, целью которой являются разработка и применение биотехнологических процессов на основе каталитического действия ферментов.
Отсюда следует, что увеличение объемов и расширение областей применения ферментов является одним из перспективных направлений ускорения научно-технического прогресса.
Но развитие этого направления, в свою очередь, напрямую связано с развитием другого направления биотехнологии - производством ферментных препаратов - увеличением их выпуска, расширением ассортимента и улучшением качества.
Таким образом, получение и применение ферментных препаратов являются перспективными и актуальными направлениями развития современной биотехнологии.
В связи с этим в число важнейших научно-технических задач выдвигаются работы, направленные на совершенствование существующих и создание новых поколений технологий и оборудования, позволяющих интенсифицировать как производство, так и применение ферментных препаратов.
В ферментных производствах превалируют технологические операции по разделению смесей, и значительное место среди них занимает разделение ферментных систем с целью выделения, концентрирования, очистки и фракционирования ферментов. До недавнего времени на отечественных предприятиях разделение ферментных систем осуществлялось преимущественно с помощью таких традиционных методов как вакуум- выпаривание, криоконцентрирование, осаждение органическими растворителями или нейтральными солями [4]. Наряду с высокой энергоемкостью или материалоемкостью, существенным недостатком этих методов являются значительные потери целевого продукта, что обусловлено термолабильностью ферментов и другими их специфическими свойствами. Конечный выход ферментов в большинстве случаев составляет всего около 50...60% [4, 5].
Поэтому весьма актуальной проблемой современной биоинженерии является широкое внедрение в промышленность современных, высокоэффективных и экономичных методов разделения ферментсодержащих сред, обеспечивающих высокое качество целевых продуктов при минимальных потерях и невысоких энергозатратах.
В значительной степени этим требованиям отвечают методы разделения смесей с помощью полупроницаемых мембран.
К настоящему времени накоплен определенный опыт в использовании мембранных процессов для разделения ферментсодержащих сред, в основном, ультрафильтрации. Однако технологические преимущества ее в промышленных условиях реализуются не всегда и имеют место повышенные потери ферментов, не наблюдаемые в лабораторных условиях [6, 7], что свидетельствует о несовершенстве технологии и применяемого оборудования, которое разрабатывалось, как правило, для общепромышленных целей без учета специфических свойств биологических объектов.
Развитие мембранных процессов в производстве ферментов сдерживается также возникновением в промышленных условиях дополнительных технических трудностей, не проявляющихся либо легко решаемых в лабораторной практике. Эти трудности связаны, например, с предварительной очисткой ферментсодержащих сред, регенерацией мембран, утилизацией образующихся пермеатов и др. Некоторые из указанных трудностей могут быть эффективно решены с помощью других мембранных процессов - микрофильтрации и обратного осмоса, однако эти процессы, применительно к ферментным производствам, практически не изучены.
Мембранным методам разделения смесей в литературе посвящено значительное количество работ как теоретического, так и экспериментального характера, однако лишь немногие из них касаются вопросов выделения ферментов и представляют собой результаты научно обоснованных технологических и технических разработок. Отсутствие систематизированных сведений о мембранном разделении ферментных систем свидетельствует о недостаточной изученности проблемы, без решения которой невозможно дальнейшее развитие технологии и оборудования для производства и применения ферментных препаратов.
В связи с этим разработка научно-практического обеспечения процессов мембранного разделения ферментсодержащих сред и создание промышленного мембранного оборудования для их эффективной и экономичной реализации представляет собой крупную и актуальную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение [8].
Изучаемая проблема на первом этапе работы решалась и координировалась в соответствии с основным заданием 5.5.3.5 приоритетного направления "Ускоренное развитие биотехнологии" Комплексной программы научно-технического прогресса стран - членов СЭВ, постановлениями правительства от 24.03.85 № 248, от 31.07.85 № 713, от 26.08.85 № 807, планами научно-исследовательских работ Всесоюзного научно- исследовательского биотехнического института и Московского государственного университета пищевых производств.
Настоящая диссертационная работа является обобщением результатов исследований методологического, теоретического, экспериментального и прикладного характера, выполненных автором лично или при его непосредственном творческом участии.
Цель исследований. Разработка научного обеспечения процессов мембранного выделения ферментов и совершенствование на их основе технического и технологического уровня производства и применения ферментных препаратов.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:
- разработать методологические основы исследований систем мембранного выделения ферментов;
- выявить основные закономерности организации, строения и функционирования систем мембранного выделения ферментов;
- исследовать технологические свойства ферментных систем как объектов мембранного разделения, систематизировать полученные данные и на их основе сформулировать теоретические предпосылки и рабочие гипотезы по применению мембранных процессов в производстве и применении ферментных препаратов;
- изучить технологические и физико-химические свойства полупроницаемых мембран как основных, функциональных элементов мембранных систем и обосновать основные критерии их выбора для мембранного разделения ферментсодержащих сред;
- изучить механизм и кинетические закономерности трансмембранного массопереноса при разделении ферментсодержащих сред;
- обосновать основные направления развития мембранных систем выделения ферментов и с их учетом осуществить практические разработки по совершенствованию технологического и технического уровня производства и применения ферментных препаратов; спрогнозировать создание и развитие качественно новых биомембранных систем.
Научная концепция. В основу научного решения проблемы совершенствования технологии и оборудования для мембранного выделения ферментов положен системный подход, позволяющий вскрыть общие закономерности организации, строения, функционирования и развития систем мембранного разделения ферментсодержащих сред.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- обоснование принципа рационального выбора полупроницаемых мембран для разделения ферментных систем;
- обоснование принципа интенсификации трансмембранного массо- переноса при разделении ферментных систем;
- обоснование принципа механостабилизации растворенных ферментов в промышленных мембранных системах;
- обоснование принципа рационального сочетания мембранных процессов с традиционными для повышения эффективности разделения ферментных систем;
- обоснование принципа совмещения биологических и мембранных методов и создания на их основе нового поколения биотехнологии и биотехники - биомембранных технических систем.
Научная новизна:
- вскрыты закономерности организации, строения, функционирования и развития систем мембранного разделения ферментсодержащих сред;
- разработана классификация ферментных систем как объектов мембранного разделения, положенная в основу методики рационального выбора технологии и аппаратуры, а также прогнозирования технологического эффекта при выделении ферментов;
- установлен эффект зависимости степени очистки ферментов от размера пор полупроницаемых мембран в процессе концентрирования методом ультрафильтрации;
- вскрыт механизм механоинактивации растворенных ферментов вследствие механических и гидродинамических воздействий на их молекулярную структуру;
- теоретически обоснована зависимость механостабильности ферментов от их молекулярных масс;
- разработаны феноменологические, математические и операторные модели систем мембранного разделения ферментсодержащих сред.
Практическая значимость и реализация результатов.
В результате теоретических и экспериментальных исследований сформулированы специальные требования к процессам и мембранному оборудованию для биотехнологических производств, учитывающие специфические свойства ферментных и других биологических систем. В соответствии с ними разработаны:
- способ предварительной очистки ферментных суспензий перед ультрафильтрацией на основе метода микрофильтрации (а.с. № 1009097);
- способ очищенных ферментных препаратов с применением метода ультрафильтрации (а.с. №№ 672905, 721451 и 942428);
- мембранная аппаратура (а.с. № 983873) для промышленных биотехнических мембранных систем;
- способы управления процессами мембранного разделения ферментных и других биосистем (а.с. №№ 904216 и 1338157);
- способ (а.с. № 949002) и аппарат (а.с. № 962310), обеспечивающие эффективную регенерацию ферментов при биоконверсии растительного сырья;
- способ утилизации пермеатов - отходов мембранного разделения в производстве ферментных препаратов, на основе процесса обратного осмоса (а.с. № 1077279).
Способ получения очищенных ферментных препаратов с применением ультрафильтрации (а.с. № 672905) внедрен на Московском опытном заводе ферментных препаратов; на технологию, включающую указанный способ, продана лицензия ЧССР (лицензионное соглашение № 73-1 1-0382-035-03 от 15.03.82 по линии Минмедбиопрома).
Способ получения очищенных ферментных препаратов глюкоамилазы (а.с. № 721451) внедрен на Ладыжинском заводе ферментных препаратов.
Ультрафильтрационная установка УКФ-40 внедрена на производственном объединении "Мосмедпрепараты" им. Л .Я. Карпова.
Технические решения (а.с. №№ 904216, 987873 и 1009097) и технологические предложения и рекомендации по оптимальному разделению ферментных систем использованы институтом НИИХИММАШ (г. Москва) при разработке новых промышленных мембранных установок для разделения жидких смесей, содержащих ферменты и другие биологически активные соединения. Ряд установок для мембранного разделения жидких смесей, разработанные НИИХИММАШем с участием автора, эксплуатируются в других отраслях народного хозяйства, например, атомной энергетике.
Опытно-промышленные испытания разработанных технологий и аппаратуры на предприятиях ферментной отрасли подтвердили их эффективность и целесообразность внедрения в промышленность.
Научные положения, результаты исследований и прикладные разработки широко внедрены в учебный процесс - включены в рабочие программы, учебные пособия и лекционные курсы по технологическому оборудованию пищевых и микробиологических производств, положены в основу курсового и дипломного проектирования, использованы при повышении квалификации специалистов промышленности, научно- исследовательских и др. организаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на симпозиуме "Биотехнология и биоинженерия" (г. Рига, 1978); Втором Всесоюзном совещании по ферментам микроорганизмов (г. Минск, 1978) Всесоюзный научно-технической конференции "Основные направления по созданию оборудования для комплектных технологических линий микробиологической промышленности" (г. Дзержинск, 1979); Третьей Всесоюзной конференции по мембранным методам разделения смесей (г. Владимир, 1981); симпозиуме "Биоконверсия растительного сырья" (г. Рига, 1982); V Всесоюзном симпозиуме по инженерной энзимологии (г. Кобулети, 1985); Всесоюзной конференции "Биотехника-86" (г. Грозный, 1986); Всесоюзном совещании "Создание и производство пилотных установок для биотехнологических процессов" (г. Пущино, 1987); Рабочем совещании по проблемам разработки и применения мембранного оборудования в биотехнологии (г. Кириши, 1988); Республиканской научно-практической конференции "Проблемы освоения мембранных технологий в отраслях агропромышленного комплекса" (г. Кишинев, 1988), Международной научно-технической конференции "Пища. Экология. Человек" (г. Москва, 1995).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 47-ти научных работах, в том числе в 7-ми отдельных изданиях, включая монографию, и 10-ти авторских свидетельствах на изобретения.
