|
|
|
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Биореакторы (ферментаторы)
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
|
промышленного на 100 м3
|
пилотного
на 150 л
|
лабораторного на 10 л
|
Внутренний диаметр, мм
|
3600
|
420
|
|
Высота, мм
|
15715
|
1140
|
|
Рабочий объем, л
|
1
|
100
|
2-6
|
Диаметр турбин, мм
|
900
|
140
|
|
Число турбин
|
1-2 (диаметр
|
3
|
2
|
|
рабочего колеса
|
|
|
|
960 мм)
|
|
|
Число отбойников
|
4
|
4
|
±
|
Частота
вращения вала мешалки,
об/мин
|
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.
|
|
|
|
м3/мин
|
100-110
|
0,3
|
|
Частота вращения вала
|
|
|
|
пеногасителя. об/мин
|
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 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).
| |