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 |пилотного на 150 |лабораторного на |
|                 |100 м3           |л                |10 л             |
|Внутренний       |3600             |420              |                 |
|диаметр, мм      |                 |                 |                 |
|Высота, мм       |15715            |1140             |                 |
|Рабочий объем, л |1                |100              |2-6              |
|Диаметр турбин,  |900              |140              |                 |
|мм               |                 |                 |                 |
|Число турбин     |1-2 (диаметр     |3                |2                |
|                 |рабочего колеса  |                 |                 |
|                 |960 мм)          |                 |                 |
|Число отбойников |4                |4                |±                |
|Частота вращения |173              |125-990          |200-1500         |
|вала мешалки,    |                 |                 |                 |
|об/мин           |                 |                 |                 |
|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.    |725              |3000             |                 |
|об/мин           |                 |                 |                 |

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).