scan0068 2

74

Hodowle w podłożach stałych są wykorzystywane głównie do produkcji preparatów enzymatycznych. W krajach Dalekiego Wschodu HPS stosowane są do otrzymywania wielu specyficznych przypraw (sos sojowy, koji, miso).

Przewiduje się znaczny wzrost zastosowań hodowli w podłożach stałych wraz z opanowaniem ekonomicznych technik wytwarzania enzymów celulolitycznych.

7oó. Procesy z lamerachoitmonyinfiii komórkami

Przedstawione techniki hodowli wgłębnej dotyczyły procesów prowadzonych ze swobodną zawiesiną komórek. Wadami takich procesów są:

-    straty materiału biologicznego,

-    konieczność oddzielania biomasy mikroorganizmów od płynu pohodowlanego,

-    ograniczone możliwości zastosowania procesów ciągłych.

Wielu wad można uniknąć, stosując, w miejsce zawiesiny mikroorganizmów, ich unieruchomianie na lub w stałym nośniku. Immobilizacja komórek na powierzchni lub wewnątrz stałego nośnika jest stosowana wtedy, gdy celem procesu nie jest otrzymanie biomasy mikroorganizmów, lecz przeprowadzenie odpowiedniej przemiany za pomocą enzymów zawartych w komórkach.

Hodowle z unieruchomionym materiałem biologicznym znane są cd dawna. Już w XVII wieku stosowano do produkcji octu kolonie Acetobacter, wzrastające na wiórach drewnianych zraszanych pożywką (roztworem alkoholu). Pod koniec XIX wieku zaczęto stosować tzw. filtry biologiczne. Są to reaktory wypełnione materiałem porowatym (np. żużlem), na którym rozwija się mikroflora. Złoża zraszane są ściekami poddawanymi oczyszczaniu.

Unieruchomianiu poddaje się zarówno komórki, jak również enzymy. Dalej przedstawiono metody unieruchomiania i wykorzystania materiału biologicznego odnoszące się zarówno do komórek, jak i enzymów.

7.6.1. Metody unieruchomiania materiału biologicznego

Wiele mikroorganizmów zwykle bytuje w cienkich warstewkach cieczy pokrywających ciała stałe lub zamkniętych wewnątrz żeli lub aglomeratów połączonych śluzem. Unieruchomienie tych komórek w procesach technologicznych daje warunki bytowania niezbyt odlegle od warunków naturalnych.

Znanych jest wiele technik unieruchomiania komórek. Wszystkie one muszą spełniać kilka podstawowych wymagań:

- Muszą być bezpieczne. Proces nie może stwarzać zagrożenia dla obsługi i dla użytkownika produktu wytworzonego tą metodą. Oznacza to ograniczenie materiałów stosowanych do unieruchomiania komórek lub enzymów.

_ Muszą być proste. Jeżeli dana technologia ma być konkurencyjna w stosunku do technik tradycyjnych, nie może być zbyt skomplikowana i wymagać bardzo złożonej obsługi. Stosowanie drogich materiałów, które po wykorzystaniu poddawane są regeneracji jest wskazane jedynie w tych przypadkach, gdy wykazują one bardzo dużą przewagę nad prostymi i tanimi materiałami używanymi jednorazowo. Dodatkowo należy uwzględnić wszelkie efekty dla środowiska naturalnego wynikające ze stosowania danych materiałów.

-    Muszą zapewniać długotrwałe użytkowanie. Oznacza to zarówno utrzymanie przez długi czas aktywności materiału biologicznego, jak i trwałość samego materiału stosowanego do imrnobilizacji.

-    Muszą zapewniać wysoką aktywność materiału biologicznego. Często komórki po unieruchomieniu wykazują mniejszą aktywność niż w zawiesinie. Dąży się do minimalizowania oporów ruchu masy między ciekłym roztworem i unieruchomionymi komórkami, aby środowisko lokalne wokół komórek odpowiadało najbardziej korzystnym warunkom przemiany. W niektórych zastosowaniach ważne jest też zapobieganie przedostawaniu się komórek do roztworu.

-    Muszą być tanie. Wszystkie przedstawione warunki związane są z obniżaniem kosztów procesu. Koszty eksploatacji reaktorów z unieruchomionym materiałem biologicznym są małe, za to wysokie mogą być koszty namnożenia komórek, unieruchomienia, napełnienia rektora, a następnie, po zakończeniu cyklu pracy, jego wypróżnienia i oczyszczenia. Wspomniane operacje są bardzo pracochłonne.

Techniki unieruchomiania komórek i enzymów można ogólnie podzielić na metody sorpcyjne, zamykania w siatce polimeru oraz metody agregacji.

Metody sorpcyjne polegają na związaniu komórek lub enzymów na powierzchni materiału stałego. Wykorzystuje się zarówno sorpcję fizyczną, jak również wiązania kowalencyjne. Należą one do najprostszych technik unieruchomiania. Stosuje się różnorodne, tanie materiały, jak np.: szkło porowate, węgiel drzewny, wióry drewniane, tlenek glinu, sylikażel, pochodne celulozy. Stosowane są także różnorodne materiały włókniste, jak np.: bawełna, nylon lub piany i gąbki. Wadą metod sorpcyjnych jest możliwość desorpcji materiału biologicznego z powierzchni nośnika. Jeżeli celem imrnobilizacji jest intensyfikowanie procesu przebiegającego w reaktorze, to podstawowe znaczenie ma uzyskanie jak największych gęstości osadzenia biomasy na powierzchni nośnika. Metody sorpcyjne są metodami pasywnymi, zatem duże stężenia biomasy można uzyskać jedynie dzięki rozwinięciu dostępnej powierzchni nośnika. Pory nośnika nie mogą być zbyt małe, gdyż byłyby niedostępne dla komórek. Dobór nośnika dokonywany jest eksperymentalnie.

Stwierdzono, że dla bakterii rozmnażających się przez podział optymalna średnica porów materiału powinna być pięciokrotnie większa od najmniejszego rozmiaru komórki. Dla drożdży, rozmnażających się przez pączkowanie,