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 иили 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 промышленного на 100 м3 пилотного на 150 л лабораторного на 10 л Внутренний диаметр, мм 420 Высота, мм 1140 Рабочий объем, л 1 100 2-6 Диаметр турбин, мм 140 Число турбин 1-2 диаметр 3 2 рабочего колеса 960 мм Число отбойников 4 Частота вращения вала мешалки, обмин 173 125-990 200-1500

Мощность электродвигателя мешалки, кВт 160 2,2 Не более 2 Мощность электродвигателя пеногасителя, кВт 4 0,73 Максимальное количество отработанного пеногасителем газа. м3мин 100-110 0,3 Частота вращения вала пеногасителя. обмин 3000 Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, который варьирует обычно

в пределах от 12 до 16. 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 аппарата Тип аппарата ФГ с подводом энергии газовой фазой Простота конструктивного осрормления и высокая надежность

в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей Барботажный. барботажно-эрлифтный. колоночный колонный, форсуночный ФЖ с подводом энергии жидкой фазой Обычно энергия передастся жидкой фазе самовсасынающсй мешалкой или насосом Эжекционный. с циркуляционным контуром, с нсасывающей мешалкой ФЖГ комбинированные Основным конструктивным элементом является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа.

В то же время энергия газовой фазой выводится обычным способом Барботажный с механическим перемешиванием 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.