Федеральноеагентство по здравоохранению и социальному развитию РФ
ГОУ ВПО «СамарскийГосударственный
МедицинскийУниверситет Росздрава»
Кафедрафармацевтической технологии
Реферат побиотехнологии
Промышленныебиотеакторы (виды, схемы, принцип работы, достоинства, недостатки)
Исполнитель:
студентка 6 курса 64 группы
Степанова Светлана Алексеевна
Руководитель:
зав. кафедрой фармацевтическойтехнологии, доктор фармацевтических наук, профессор Первушкин С.В.
Самара 2009
Оглавление
Введение
1. Общая характеристика биореакторов
2. Типы биореакторов
3. Стерилизация и очистка воздуха от микроорганизмов
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Промышленноепроизводство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанныхфизических, химических, биофизических, биохимических, физико-химическихпроцессов и предполагает использование большого количества разнотипногооборудования, которое связано между собой материальными, энергетическимипотоками, образующими технологические линии.
Биореакторы (ферментеры)составляют основу биотехнологического производства.
Масса аппаратов,используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесьопределяются большей частью экономическими соображениями. Применительно кферментерам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м3, промышленные емкостью 10-100 м3 и более.
При масштабированиидобиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохраненияпринципа конструкции.
Применяемое в биотехнологииоборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха илиотделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легкодоступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требованийгигиены и санитарии.
В случае заменыкаких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущемремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, вматериальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты.
1. Общая характеристика биореакторов
Основнымаппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор — ферментер. Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов,накопления биомассы, синтеза целевого продукта.
Биореакторыизготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняяповерхность биореактора должна быть отполирована.
Типовыеферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые- от 1 до 10 л, многотоннажные — более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальныегидродинамические и массообменные условия (рис. 1).
Ферментерыснабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушнымифильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовыйрежим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- итеплообмена).
Вбиореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости впроцессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности,учитывающие специфику биотехнологичеекого процесса. Работа отдельных узловконтролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметрытехнологического процесса, так и отдельные физико-химические показателикультивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращениямешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, ценообразование, рН,еН, рО2, рСО2 среды).
Тип биореактора,чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость,коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, типперемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления,способ пеногашения, — далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, вотдельности и во взаимосвязи, влияют на процесс культивирования микроорганизмови клеток.2. Типы биореакторов
Биореакторыподразделяют на три основные группы (рис. 2):
1) реакторы с механическимперемешиванием;
2) барботажные колонны, через которые для перемешиваниясодержимого пропускают воздух;
3) эрлифтныереакторы с внутренней или внешней циркуляцией;
Перемешиваниеи циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком воздуха, за счеткоторого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиентплотности.
Биореакторыпервого типа используютчаще всего, так как они позволяют легко изменять технологические условия иэффективно доставлять к растущим клеткам воздух, определяющий характер развитиямикроорганизмов и их биосинтетическую активность. В таких реакторах воздухподают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель — кольцо смножеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха иза счет механического перемешивания обеспечивается их равномерноераспределение. Для этой же цели используют мешалки — одну или несколько.
Мешалки,разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличиваютвремя пребывания в культуральной среде. Эффективность распределения воздухазависит от типа мешалки, числа оборотов, физико-химических свойств среды.
Приинтенсивном перемешивании культуральной среды происходит ее вспенивание,поэтому рабочий объем биореактора не превышает 70% общего объема. Свободноепространство над поверхностью раствора используется как буферное, гденакапливается пена, и таким образом предотвращается потеря культуральнойжидкости. В пенящейся жидкости условия аэрации лучше, чем в плотных растворах(при условии непрерывного перемешивания и циркуляции слоя пены, т.е. приисключении нахождения микроорганизмов вне культуральной жидкости). Вместе с темвспенивание может привести к переувлажнению фильтров в отверстиях, черезкоторые воздух выходит из биореактора, уменьшению потока воздуха и к попаданиюв ферментер посторонних микроорганизмов.
Конструктивныеособенности барботажных колонн и эрлифтных биореакторов дают этим типам ферментеров некоторыепреимущества перед реакторами с механическим перемешиванием. Барботажныеколонны более экономичны, так как перемешивание в них происходит восходящимипотоками воздуха равномерно по всему объему. Отсутствие механической мешалкиисключает один из путей проникновения в биореактор посторонних микроорганизмов.В барботажных биореакторах не возникает сильных гидродинамических возмущений(сдвигов слоев жидкости культуральной среды относительно друг друга).
Уменьшениесдвиговых факторов важно по следующим причинам:
1. клеткирекомбинантных микроорганизмов менее прочны, чем нетрансформированные;
2. клетка отвечаетна внешние воздействие уменьшением количества синтезируемых белков, в том числерекомбинантных; под влиянием сдвиговых эффектов могут изменяться физические ихимические свойства клеток, что затрудняет дальнейшую работу с ними (ухудшаютсяусловия выделения, очистка рекомбинантных белков).
Вбарботажных колоннах воздух подают под высоким давлением в нижнюю частьбиореактора; по мере подъема мелкие пузырьки воздуха объединяются, что влечетнеравномерное его распределение. Кроме того, подача воздуха под высокимдавлением приводит к сильному пенообразованию.
Вэрлифтных биореакторах воздухподают в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, воздух увлекает засобой жидкость к верхней части канала, где расположен газожидкостный сепаратор(здесь частично выходит воздух). Более плотная деаэрированная жидкостьопускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора и процессповторяется. Таким образом, в эрлифтном биореакторе культуральная среда вместес клетками непрерывно циркулирует в биореакторе.
Эрлифтныебиореакторы выпускаются в двух конструктивных вариантах. В первом — реакторпредставляет емкость с центральной трубой, которая обеспечивает циркуляциюжидкости (реакторы с внутренней циркуляцией). У эрлифтного биореактора второготипа культуральная среда проходит через отдельные независимые каналы (реактор свнешней системой циркуляции).
Эрлифтныебиореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в суспензияхмикроорганизмов с большей плотностью или вязкостью. Перемешивание в эрлифтныхферментерах более интенсивно и вероятность слипания пузырьков минимальна.3. Стерилизация и очистка воздуха от микроорганизмов
Длястерилизации биореактора применяютпар под давлением. Внутри биореактора не должно быть «мертвых зон»,недоступных для пара во время стерилизации. Стерилизации подлежат все клапаны,датчики, входные и выходные отверстия.
Стерильностьобеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего васептических условиях. Стерильная передача жидкости осуществляется черезштуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключаетконтаминацию культуральной жидкости посторонней микрофлорой и возможностипопадания продуктов биосинтеза в окружающую среду. Основные агенты,контаминирующие клеточные культуры — бактерии, дрожжи, грибы, простейшие,микоплазмы, вирусы. Источники контаминации — воздух, пыль, питательные среды,рабочие растворы, оборудование, рабочий персонал.
Очисткавоздуха от микроорганизмов и аэрозольных частиц осуществляется через фильтры предварительной очистки(комбинированные глубинные фильтры — бумага, картон, тканевые материалы),которые устанавливают на всасывающей линии перед компрессором (воздух очищаетсяот частиц размером более 5 мкм) и фильтры тонкой очистки (ткань ФП, удаляющаячастицы размером до 0,3 мкм, металлокерамические и мембранные фильтры).
Металлокерамическиефильтры изготовлены из калиброванных металлических порошков (бронзы, никеля,нержавеющей стали, титана) способами спекания, прессования, прокатки; размерпор варьирует от 2 до 100 мкм. Металлокерамические фильтры стерилизуют притемпературе 150 °С 50 мин. Они стойки к действию сильных кислот, щелочей,окислителей, спиртов, могут использоваться при температуре от -250 °С до +200°С.
Преимуществометаллокерамических фильтрующих элементов — простота регенерации, большой срокработы (5-10 лет). В отличие от волокнистых, нетканных и фторопластовыхфильтров, зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру,химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокоймеханической прочностью, просты в изготовлении.
Мембранныефильтры патронного и кассетного типа несмотря на менее значительный срок службы(1 год) обладают высокой эффективностью, быстрой съёмностью, надёжны в работе.Отмечена способность рядом фильтрующих материалов, заряженных отрицательно,задерживать живые клетки, бактерии, вирусы, эритроциты, лимфоциты и тромбоциты.Частицы, размер которых меньше величины пор фильтрующего материала, остаются нафильтре, если дзета-потенциал (электрический потенциал) частиц и стенок порфильтра имеет противоположные заряды. Это явление наблюдается при использованиив качестве фильтрующих элементов мембран с соответствующими электростатическимисвойствами. Выбор фильтрующего материала зависит от объекта фильтрации идзета-потенциала суспендированных частиц.
Отработанныйвоздух, отводимый из лабораторных и производственных помещений, контролируетсяна чистоту (отсутствие микроорганизмов).
Дляобслуживания установок глубинного культивирования применяют автоматизированнуюмодульную систему, включающую:
1) очистку истерилизацию воздуха и пара с использованием металлокерамических и титановыхфильтрующих элементов; модули технологической обвязки, содержащие автономнуюсистему термостатирования, запорную и регулирующую арматуру, индивидуальныевходные и выходные фильтры, электропневмообразователи и другие регулирующиеустройства;
2) блокавтоматического контроля и управления, содержащий программное устройство,преобразователи сигналов от измерительных электродов, газоанализаторы дляизмерения О2, СО2, еН, температуры, рСО2, рО2;
3) системы цифровойи диаграммной индикации текущих параметров культивирования.
Установкиглубинного культивирования снабжены блоками дистанционного измерения давления вбиореакторе и его рубашке, блоками дистанционного контроля интенсивностиаэрации воздухом или газовой смесью (кислорода и азота, кислорода и углекислогогаза, воздуха и углекислого газа, азота и углекислого газа).
Блокавтоматического управления позволяет контролировать и поддерживать на заданномуровне программную стерилизацию биореактора и арматуры, скорость вращениямешалки и дистанционный контроль открытия или закрытия вентилей и регулирующих клапанов.
Рядстран специализируется на выпуске широкого ассортимента оборудования длякультивирования различного назначения (фирма NBS — США; Полиферм, Биотек — Швеция; Марубиши — Япония; LH — Ферментейшн — Великобритания;Браун — Германия; БИОР-0,1, БИОР-0,2 — Россия, институт биологическогоприборостроения с опытным заводом АН РФ).
Заключение
Важным элементом вконструкции ферментера являются теплообменные устройства. Применениевысокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред,высокий удельный расход мощности на перемешивание — все эти факторы сказываютсяна существенном возрастании тепловыделений, и для отвода тепла в ферментатореустанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства.
Промышленныеферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата — четырезмеевика.
Разработчики аппаратуры внашей стране и за рубежом постоянно совершенствуют конструкции биореакторов.Так, например, фирма New Brunswick Scientific Co., Inc. (США) предложиласледующие типы ферментаторов:
Био-Фло III — для периодического и непрерывногокультивирования микробных, животных и растительных клеток, совмещенный смикропроцессором и персональным компьютером;
Микрос I — длякультивирования микроорганизмов (совмещен с микропроцессором) и промышленныеферментаторы емкостью от 40 до 4000 литров и более (совмещены с микропроцессорами).
В Датскоймультинациональной компании Gist-Brocades в 1987 г. сконструирован и изготовлен самый большой промышленный ферментатор для производствапенициллина (200 м3).
Списоклитературы
1. dic.academic.ru
2. www.biotechprogress.ruъ
3. www.maps.su
4. www.mediana-eco.ru
5. Биотехнология:Учебное пособие для ВУЗов /Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова.- М.: Высшаяшкола, 1987, стр. 15-25.
6. Основыфармацевтической биотехнологии: Учебное пособие / Т.П. Прищеп, В.С. Чучалин,К.Л. Зайков, Л.К. Михалева. – Ростов-на-Дону.: Феникс; Томск: Издательство НТЛ,2006.
7. Производство белковых веществ.Биотехнология. Кн. 5: учеб. пособие для вузов / [В.А.Быков и др.]. – М.: Высш.шк. – 1987. – 142 с.
8. Сазыкин Ю. О. Биотехнология: учебноепособие для студентов высш. учеб. заведений / Ю.О. Сазыкин, С. Н. Орехов, И.И.Чакалева; под ред. А.В. Катлинского. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр«Академия», 2008.
9. Северин С.Е. Биохимия и медицина –новые подходы и достижения / С.Е. Северин. – М.: Русский врач, 2006. – 94 с.
Приложение
Рис. 1 Схема биореактора( по А.Я. Самуйленко, Е.А. Рубану)
/>
Рис. 2 Упрощенные схемыбиоректоров различных типов (по Б. Глику, Дж. Пастернаку):
А – реактор смеханическим перемешиванием
Б – барботажная колонна
В – эрлифный реактор свнутренней циркуляцией
Г – эрлифный реактор с внешнейциркуляцией
Стрелки – направлениепотока культуральной среды.
/>