Получение неочищенных ферментных препаратов

Неочищенные ферментные препараты представляют собой культуру микроорганизма вместе с остатками питательной среды, высушенную при мягком режиме до влажности не более 8-12 %.

Неочищенный ферментный препарат может быть получен на основе поверхностной или глубинной культуры. Глубинная культура может быть перед сушкой очищена от нерастворимой части (твердая взвесь среды и биомассы продуцента) или высушена вместе с ней.

Получение сухой поверхностной культуры. Поверхностная культура микроорганизма имеет влажность от 35 до 58 %. Это низкостабильный продукт, который следует либо немедленно использовать в производстве, либо высушивать до равновесной влажности (10-12 %). Перед высушиванием культура, выгруженная из растильной камеры, измельчается до определен­ной величины частиц и далее поступает на высушивание.

Для сушки культуры микроорганизма могут быть использованы ленточные, тоннельные, шахтные, барабанные, шкафные и вибрационные сушилки. Сравнительно часто для сушки культур микроорганизмов используют барабанные сушилки прямоточного типа. Влажная культура поступает в сушилку одновременно с теплоносителем, имеющим температуру 80-85°С. Такую высокую температуру допустимо применять потому, что высушиваемый материал содержит большое количество влаги, а при ее испарении частицы культуры почти не нагреваются, и активность ферментов сохраняется почти полностью. У большинства барабанных сушилок на внутренней поверхности есть насадка в виде лопаток или крестовины. Барабан вращается медленно с частотой от 3 до 8 мин^-1. Высушиваемый материал с помощью лопаток поднимается, пересыпается и передвигается вдоль барабана. Происходит некоторая дифференциация частиц культуры по размерам - более крупные частицы падают почти вертикально вниз и вновь подхватываются лопатками, а мелкие подхватываются теплоносителем, траектория их падения несколько смещается, и они быстрее перемещаются по барабану. Поэтому высушенный в такой сушилке продукт имеет равномерную влажность по всей массе. Длительность пребывания высушиваемой частицы в сушилке 3-7 мин, скорость движения подаваемого теплоносителя 2-3 м/с, температура воздуха на входе 80-85°С, на выходе 60-65°С, температура высушенного материала 40°С. Потери активности в процессе сушки составляют 3-10% .

Другой вид сушилок, используемых для сушки культур, - это паровые конвейерные сушилки, представляющие собой герметизированный ленточный конвейер. При сушке в таких установках потери активности больше, но они очень компактные и имеют большую производительность. Но все же необходимо отметить, что потери могут доходить до 10-20%. Это связано с тем, что нет дифференцирования частиц культуры по размерам, мелкие и крупные частицы находятся в сушилке одинаковое время, мелкие частицы сильно пересыхают, ферменты инактивируются быстрее, крупные частицы немного не досушиваются, в них потери активности ниже. Но они могут возрастать из-за повышенной влажности при хранении.

Для высушивания поверхностной культуры можно использовать самые различные конструкции сушилок, в которых длительность пребывания культуры сокращена до 5-8 мин при температуре продукта на выходе не выше 40-42°С, что позволяет свести до минимума потери активности.

Готовую сухую культуру обычно упаковывают на специальной фасовочной машине по 25-40 кг, водонепроницаемые мешки зашивают на зашивочной машине и отправляют на склад готовой продукции.

Очистка культуральной жидкости от твердых взвесей. Большинство продуцентов накапливает основную часть синтезируемых ими ферментов в питательной среде. При получении очищенных ферментных препаратов нерастворимую часть среды вместе с биомассой продуцента отделяют на фильтрах, центрифугах или сепараторах.

Наиболее широко в микробиологической промышленности используют ячейковый барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия с наружной поверхностью фильтрования. Схема работы такого фильтра представлена на рис. 1.39, а. Эти фильтры имеют высокую степень механизации и позволяют осуществлять фильтрование различных суспензий с постоянной скоростью. Барабанные вакуум-фильтры представляют собой барабан, погруженный в емкость, в которую непрерывно подается культуральная жидкость. Поверхность барабана перфорирована и обтянута фильтрующей тканью (батист или другая синтетическая ткань аналогичного типа).

Иногда при наличии в культуральной жидкости трудно отделяемых осадков с высокими удельными сопротивлениями в качестве фильтрующей поверхности используют намывной слой. Съем осадка на этих фильтрах производится специальным ножом. При каждом обороте барабана вместе с осадком удаляется часть намывного слоя и фильтрующая поверхность обновляется. Барабан вращается медленно с частотой 0,13-0,26 мин^-1 и проходит последовательно зоны фильтрования, подсушивания, промывания осадка, подсушивания и отдувки. Барабан разделен на секции с помощью неподвижной распределительной головки, состоящей из нескольких камер, которые соединены соответственно с вакуум-приемниками фильтрата и промывных вод, а также с линией сжатого воздуха.

Барабанные фильтры удобны для отделения не только биомассы продуцента, но и нерастворимых взвесей, которых сравнительно много в среде (выжимки, отруби, жмых, ростки и т. д.). К недостаткам фильтров этого типа можно отнести их сравнительно низкую производительность, громоздкость (отношение удельной поверхности фильтрования к объему фильтрата небольшая) и невозможность обеспечения асептических условий.

В ферментной промышленности реже используют рамные фильтр-прессы периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 1.39, б). С их помощью можно получать прозрачные фильтраты, но эти фильтры работают периодически без регенерации фильтрующей поверхности. Так как шламовое пространство ограничено, а слой осадка к концу фильтрования достигает значительной толщины, то скорость фильтрования падает, несмотря на повышение рабочего давления. При заполнении шламового пространства осадком фильтр-пресс отключают, разбирают и промывают или меняют фильтрующее полотно. Производительность фильтр-пресса много меньше, чем барабанного вакуум-фильтра, она лимитируется содержанием осадка в фильтруемой жидкости и объемом рамного пространства фильтр-пресса. Процесс фильтрования в рамном фильтре ведется под давлением 0,6-0,4 МПа. Культуральная жидкость через отверстия в стенке рамы поступает во внутреннюю полость фильтрующего элемента, взвесь задерживается на фильтрующих поверхностях, а фильтрат проходит через фильтрующую салфетку и стекает по канавкам в плитах в трубопровод. Обычно первые порции фильтрата бывают мутные и их повторно фильтруют.

Недостатки фильтр-пресса в значительной степени устранены в конструкции с горизонтальными камерами типа ФПАКМ (рис. 1.40). Он состоит из ряда расположенных одна над другой горизонтальных фильтровальных плит 2, между которыми натянута фильтровальная ткань 4. Фильтровальные плиты размещены между верхней и нижней поддерживающими плитами 1, а фильтровальная ткань натянута на направляющие ролики 3. Цикл работы фильтр-пресса состоит из сжатия плит, фильтрования, промывания и обезвоживания осадка, раздвигания плит и разгрузки осадка одновременно с перемещением ткани и ее промыванием. Работа фильтр-пресса ФПАКМ полностью автоматизирована. Эти фильтры имеют развитую фильтрующую поверхность (на 8 м² площади, занимаемой установкой, приходится до 25 м² фильтрующей поверхности); осадок отжимается под давлением 0,8-1,5 МПа и имеет влажность не более 60-70%; сравнительно небольшие энергозатраты (0,8-1 кВт-ч на 1 м² фильтрующей поверхности); удельная производительность его в 6-8 раз выше, чем у других фильтр-прессов [при концентрации твердой фазы в суспензии 4-7 г/л до 1000 л/(м² • ч), потери активности не превышают 4-5%]. Установки ФПАКМ выпускаются с площадью фильтрующей поверхности от 2,5 до 50 м². Их применение для очистки ферментных растворов очень перспективно; особенно этот тип фильтров рекомендуется для фильтрования взвеси культуральной жидкости бактерий.

К фильтрам, работающим под давлением, относятся различные конструкции листовых фильтров. Общим для фильтров этого типа является наличие плоских фильтровальных элементов с жестким каркасом. Осадок с фильтрующей поверхности может удаляться различными способами: сжатым воздухом, паром, вибрацией, под действием центробежной силы.

Некоторые бактериальные культуры даже при использовании вспомогательных фильтрующих материалов фильтруются со скоростью ниже 30 л/(м² • ч). В этих случаях для отделения биомассы и удаления взвеси широко применяются сепарирующие центробежные машины. В ферментной промышленности применяются сепараторы-кларификаторы типа ВСМ, представляющие собой емкость 4, внутри которой располагается барабан (рис. 1.41). Внутри барабана находятся концентрические цилиндры-вставки 3. Очищаемый раствор по патрубку 1 поступает в цилиндр с наименьшим радиусом, затем проходит вдоль установленных цилиндров, каждый раз меняя направление. Осветленная жидкость удаляется из барабана с помощью напорного диска 2 под давлением, а осадок под действием центробежной силы отбрасывается к внутренней стенке цилиндрических вставок. Производительность сепараторов этого вида может достигать до 2000-5000 л/ч.

При производстве ферментных препаратов используются различные типы и конструкции саморазгружающихся сепараторов. В нашей стране применяют сепараторы типов АСЭ-3, АСИ, АСЭ-Б с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка, имеющие соответственно производительность 500, 1500 и 2000 л/ч, при диаметре барабана 600 мм и межтарелочном зазоре 0,5 мм. На предприятиях очень большой производительности используются так называемые сопловые сепараторы фирмы «Альфа-Лаваль» (Швеция) типов QX и FEUX производительностью от 80 до 200 м³/ч.

Есть той же фирмы «Альфа-Лаваль» фактически обеспложивающие сопловые высокоскоростные сепараторы так называемые бактофуги типа D3187M (производительность 6 м³/ч) и АХ-213 (производительность до 36 м³/ч). Фактор разделения, например, на бактофуге АХ-213 равен 142 000, что позволяет получать фугат, почти полностью очищенный от микроорганизмов и тончайшей взвеси, что очень важно.

Принцип работы бактофуги D3187M дан на рисунке 1.42.

Бактофуга закреплена на станине. На ней расположен вал с фрикционной муфтой и тормозом, червячная передача, вертикальный полый шпиндель ротора с питающим насосом. На полый вал насажен барабан с набором конических тарелок. Верхняя часть станины вместе с колпаком и устройством для отвода удаляемой жидкости заключена в охлаждающую рубашку, что обеспечивает низкие температуры при сепарировании - это чрезвычайно важно, т. к. повышение температуры при отделении осадка может привести к инактивации ферментов. Исходная суспензия попадает в ротор снизу через полый вал и под действием центробежной силы распределяется по тарелкам. Твердые частицы направляются к стенкам ротора и непрерывно выгружаются через сопла с небольшим количеством жидкости. Основная часть жидкости удаляется из бактофуги под давлением через верхний параксиальный выпуск. Удаление чистого фильтрата происходит непрерывно.

Микробные клетки и другие взвешенные частицы с небольшим количеством жидкости собираются под крышкой над ротором и поступают вниз вдоль сборной крышки по впускной трубе в циклон, где деаэрируются. Загрязненный воздух направляется в верхнюю часть крышки ротора, где вновь смешивается с микробными клетками, выходящими через сопла, образуется замкнутый цикл. Концентрат микробных клеток, отделенный от воздуха, удаляется через нижний патрубок циклона.

Этот вид сепаратора обладает большими преимуществами: герметичность процесса, непрерывность загрузки суспензии и отбора фильтрата, очистка воздуха от продуцента или фермента, ведение процесса при низких температурах и т. д. Можно смело утверждать, что этот тип сепараторов будет успешно использоваться в ферментной промышленности в XXI-м веке. Но надо помнить, что эффективность отделения биомассы во многом зависит не только от типов используемых аппаратов, но и от состава среды, размеров отделяемых частиц, количества нерастворимой фракции, физико-химических характеристик фильтрующих материалов, температурных режимов. Для улучшения процесса фильтрования проводят предварительную химическую обработку культуральной жидкости. Для этого культуральную жидкость подщелачивают до рН 8-8,5 и вводят 0,1% -ный раствор хлористого кальция, в результате образуется гель фосфата кальция, который способствует наиболее полному отделению осадка при наименьших потерях. Но предварительная химическая обработка не всегда дает хорошие результаты, поэтому для повышения эффективности процесса часто используют различные кизельгуры, например, диатомит и радиолит (Япония), микрозил (Франция), диатомит (Бельгия), кларгель (Великобритания) и т. д. Использование этих наполнителей может резко повысить скорость фильтрования, но вместе с этим увеличиваются потери активности на этой технологической стадии.

Полученную биомассу продуцента вместе с нерастворимыми частицами среды (биошрот) при необходимости стерилизуют, высушивают и используют на корм животным. Фильтрат культуральной жидкости нестабилен, он не может храниться и должен немедленно направляться на дальнейшую обработку для получения очищенных ферментных препаратов.