Биореакторы (ферментаторы)

Белорусский Государственный Университет

Биологический факультет

Биореакторы

Реферат

студента 2-го курса

Бабицкого Мирослава

Минск 2003 г.

Биореакторы (ферментаторы) составляют основу биотехнологического

производства. Масса аппаратов, используемых, например, в микробной

биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью

экономическими соображениями. Применительно к ферментаторам различают

следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5—100 л, пилотные емкостью

100л—10 м3, промышленные емкостью 10—100 м3 и более.

При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик

процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю

эстетичности в интерьер цеха или отделения ("ласкать глаз"). В ходе его

эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным,

содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и

санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки

узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь

биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные

продукты.

Техническую вооруженность биотехнологических процессов целесообразно

условно ограничить аппаратурным оформлением производств, базирующихся на

культивировании: 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканей растений, 3)

клеток и тканей животных организмов и человека. Такое подразделение

обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращивают в

однотипных биореакторах, имеющих почти однотипную обвязку, в которую

входят: ферментатор, многокорпусный вентиль стерильный (для подачи

питательной среды, посевного материала, подпитки и пр.), системы

регулирования рН, 1°, подачи иеногасителя, система контроля расхода

воздуха, пробоотборник, электродвигатель.

Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как бактерии и грибы)

растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чем большинство

бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы в аппаратурное

оформление соответствующих биотехнологических процессов.

Культуры клеток животных и человека, не имеющие клеточных стенок, являются

более ранимыми и требовательными к условиям своего существования, чем

клетки других эукариот и прокариот. Поэтому оборудование для них можно

отнести к разряду "тихоходного", обеспечивающего нежное обращение с

биообъектами.

Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения, например, когда

возможно культивирование в глубинных условиях некоторых растительных клеток

(суспензионная культура женьшеня), используя ферментационное оборудование,

рассчитанное на выращивание, например, бактерий или грибов.

К. Шюгерль в 1982 г. предложил подразделить биореакторы на 3 основные

группы согласно способу потребления энергии для перемешивания и

диспергирования г стерильного воздуха (газа):

- в биореакторах I типа энергия расходуется на механическое

движение внутренних устройств;

- в биореакторах II типа энергия расходуется на работу

внешнего насоса, обеспечивающего рециркуляцию жидкости

и/или газа;

- в биореакторах III типа энергия расходуется на сжатие и подачу газа в

культуралъную жидкость.

Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии на механическое

движение внутренних устройств а — 1, 2. 3; с расходом энергии на работу

насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б — 4; с

расходом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в — 5 (г — газ. ж — жидкая

фаза, д — двигатель).

Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевые организмы в

примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах

(хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиков

продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для

культивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков,

полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений). Были предложены

различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все

конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными по

большинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: без

подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для

аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них.

Ферментатор периодического действия (1 — турбинная трсхярусная мешалка, 2 —

охлаждающий змеевик. 3 — секционная рубашка. 4 — отражательная перегородка.

5 - барботер. П-пар); I—XI — материальные и вспомогательные трубопроводы с

запорно-регулирующими устройствами (I — посевная линия. I —подача

стерильного сжатого воздуха. III — подача пара, IV — удаление отработанного

воздуха. V — загрузочная линия, VI — линия введения добавок, VII подача

пеногаситсля, VIII — подача моющего раствора. IX — пробоотборник. X -выдача

продукта, XI — выдача в канализацию через нижний спуск).

В последние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми

волокнами и некоторые другие.

При расчете и конструировании биореакторов необходимо учитывать время

протекания различных биологических процессов у представителей различных

групп организмов.

Некоторые технические характеристики промышленного биореактора в сравнении

с пилотным и лабораторным приведены в таблице:

|Характеристика |Показатели для аппаратов |

| |100 м3 |л |10 л |

|Внутренний |3600 |420 | |

|Высота, мм |15715 |1140 | |

|Рабочий объем, л |1 |100 |2-6 |

|Диаметр турбин, |900 |140 | |

|мм | | | |

|Число турбин |1-2 (диаметр |3 |2 |

| |960 мм) | | |

|Число отбойников |4 |4 |± |

|Частота вращения |173 |125-990 |200-1500 |

|мешалки, кВт |160 |2,2 |Не более 2 |

|пеногасителя, кВт|4 |0,73 | |

|м3/мин |100-110 |0,3 | |

|пеногасителя. |725 |3000 | |

Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте,

который варьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и

чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных

процессов. Эти ферментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода

в аппарат энергии для перемешивания газовой фазой (ФГ), жидкой фазой (ФЖ),

газовой и жидкой фазами (ФЖГ).

|Ферментаторы |Характеристика конструкции |Тип аппарата |

| |аппарата | |

|ФГ с подводом|Простота конструктивного |Барботажный. |

|энергии |осрормления и высокая надежность в|барботажно-эрлифтный. |

|газовой фазой|связи с отсутствием движущихся |колоночный (колонный), |

| |узлов и деталей |форсуночный |

|ФЖ с подводом|Обычно энергия передастся жидкой |Эжекционный. с |

|энергии |фазе самовсасынающсй мешалкой или |циркуляционным |

|жидкой фазой |насосом |контуром, с нсасывающей|

| | |мешалкой |

|ФЖГ |Основным конструктивным элементом |Барботажный с |

|(комбинирован|является перемешивающее |механическим |

|ные) |устройство, обеспечивающее высокую|перемешиванием |

| |интенсивность растворения | |

| |кислорода и высокую степень | |

| |диспергирования газа. В то же | |

| |время энергия газовой фазой | |

| |выводится обычным способом | |

С использованием указанных выше классификаций удается разработать единые

методы инженерных расчетов основных конструктивных элементов и режимов

работы ферментаторов.

Ферментаторы указанных трех групп имеют большое количество общих элементов.

Различие же состоит в конструкциях аэрирующих и перемешивающих устройств.

Примером конструктивного оформления ферментатора группы ФГ может быть

аппарат с эрлифтом вместимостью 63 м3. В аппарате отсутствует механическое

перемешивание, поэтому проще поддерживать асептические условия. Воздух для

аэрации среды подастся по трубе, расположенной вертикально в ферментаторе.

Аэратор, конструкция которого обеспечивает вихревое движение выходящего

воздуха, расположен в нижней части диффузора и насыщает питательную среду

воздухом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору и перемешивается

через его верхние края. В этой же зоне часть воздуха уходит из аппарата, и

более плотная среда опускается вниз в кольцевом пространстве между корпусом

ферментатора и диффузором. Так происходит многократная циркуляция среды в

ферментаторе. Для отвода биологического тепла внутри ферментатора

установлен змеевик, а также аппарат снабжен секционной рубашкой.

Недостатком этих аппаратов является низкая интенсивность массообмсна по

кислороду. Известны ферментаторы этого типа объемом 25, 49, 63 и 200м3.

Ферментатор с эрлифтом: 1 — штуцер для слива, 2 — аэратор, 3 — змеевик, 4 —

штуцер для загрузки. 5 — люк, 6 — корпус аппарата, 7 — диффузор, 8 —

рубашка, 9 — труба передавливания.

Широкое распространение в производстве кормового белка получили

ферментаторы с самовсасывающими мешалками (рис. 91). Это ферментаторы из

группы ФЖ. Для выращивания чистой культуры дрожжей созданы ферментаторы

вместимостью 0.32, 3.2 и 50 м3. Ферментатор представляет собой вертикальный

цилиндрический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообменными и

аэрирующими устройствами. В качестве циркуляционных устройств использованы

системы направляющих диффузоров, разграничивающих восходящие и нисходящие

потоки. Теплообменные устройства выполнены в виде трубок, установленных в

трубных решетках диффузоров.

Ферментатор с самовсасывающей мешалкой непрерывного действия: 1 — корпус,

2 — диффузор, 3 — самовсасывающая мешалка. 4 — теплообменник, 5 — фильтр.

На предприятиях микробиологической промышленности при выращивании дрожжей в

средах с жидкими парафинами также применяют ферментаторы с самовсасывающими

мешалками непрерывного действия. Емкость его 800 м3 (рабочий объем 320 м3)

разделена на 12 секций. Ферментационная среда последовательно проходит все

секции, и из последней выходит культуралъпая жидкость с минимальным

содержанием н-парафинов и максимальной концентрацией биомассы. В каждой

секции установлено перемешивающее и аэрирующее устройство и змеевики для

отвода тепла. Ферментаторы периодического действия из групп ФЖГ применяют с

1944 г. в

промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически

активных веществ (см. рис. 88). Его конструкция обеспечивает стерильность

ферментации в течение длительного времени (нескольких суток) при

оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментаторы

такой конструкции изготавливают на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3;

10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 и 160,0 м3. Как видно из рисунка,

это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим днищем, снабженный

аэрирующим, перемешивающим и теплопередающим устройствами. Воздух для

аэрации поступает в ферментатор через барботер, установленный под нижним

ярусом мешалки. С точки зрения эффективности диспергирования воздуха

конструкция барботера принципиальной роли не играет при наличии мешалки,

однако, с точки зрения эксплуатации, наиболее удобным является квадратный

барботер, который получил наибольшее распространение. Отверстия в барботере

направлены вниз, во избежание засорения биообъектами. Общая площадь

отверстий должна быть на 25% больше площади поперечного сечения

трубопровода, подводящего воздух. Барботер по своим размерам должен

соответствовать диаметру мешалки, чтобы выходящий из него воздух попадал в

зону ее действия.

Эффективность работы ферментатора определяется прежде всего необходимой

интенсивностью перемешивания. Перемешивающие устройства служат для

сохранения равномерного температурного поля по всему объему аппарата,

своевременного подвода продуктов питания к клеткам и отвода от них

продуктов метаболизма, а также интенсификации массопередачи кислорода. Для

создания в ферментаторе условий "полного отражения", во избежание

образования вращательного контура, который резко снижает интенсивность

перемешивания, в аппарате устанавливают отражательные перегородки

(отбойники). Ширина их составляет (0,1—0,12) dM. Обычно рекомендуют

устанавливать 4 отражательных перегородки, несколько отступая от стенок

ферментатора.

Важным элементом в конструкции ферментатора являются теплообменные

устройства. Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов,

концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на

перемешивание — все эти факторы сказываются на существенном возрастании

тепловыделений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и

внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы, как

правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата — четыре змеевика.

Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом постоянно

совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например, фирма New Brunswick

Scientific Co., Inc. (США) предложила следующие типы ферментаторов: Био-Фло

III — для периодического и непрерывного культивирования микробных, животных

и растительных клеток, совмещенный с микропроцессором и персональным

компьютером; Микрос I — для культивирования микроорганизмов (совмещен с

микропроцессором) и промышленные ферментаторы емкостью от 40 до 4000 литров

и более (совмещены с микропроцессорами). В Датской мультинациональной

компании Gist-Brocades в 1987 г. сконструирован и изготовлен самый большой

промышленный ферментатор для производства пенициллина (200 м3).