Аппаратурное оформление процессов культивирования микроорганизмов–продуцентов биологически активных веществ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Биореакторы (ферментаторы) составляют основу биотехнологического производства. Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями.

Ферментеры обычно представляют собой герметические цилиндрические емкости, высота которых в 2-2,5 раза превышает диаметр. Чаще всего их изготовляют из нержавеющей стали. Для поддержания температуры в аппарате имеется двойной кожух или теплообменник типа змеевика.

Главное требование к аппаратам -- сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем ферментера (биореактора) обычно не превышает 7/10 общего объема.

ип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой -- скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью. Скорость перехода кислорода из газовой фазы в жидкую выражают через объемную скорость абсорбции. Изменение концентрации кислорода в жидкой фазе характеризуется уравнением:

dC/dt = KLa (Cp - С),

где KLa -- объемный коэффициент массопередачи на границе газ--жидкость; Сp -- равновесная концентрация кислорода в среде; С -- фактическая мгновенная концентрация кислорода в среде.

1. Основные типы промышленных ферментеров и их классификация

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 пеногасителя, 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.

Рисунок 1 - 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.

Рисунок 2 - Ферментатор периодического действия (1 -- турбинная трехъярусная 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.

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).

Таблица 1. Классификация ферментаторов по способу ввода в аппарат энергии

Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.

Ш Аппараты с механическим перемешиванием.

Они имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.

Ш Аппараты с пневматическим перемешиванием.

Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды.

Ш Аппараты с циркуляционным перемешиванием.

Они содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи», типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой).

С использованием указанных выше классификаций удается разработать единые методы инженерных расчетов основных конструктивных элементов и режимов работы ферментаторов.

Ферментеры для твердофазной ферментации.

Твердофазную ферментацию обычно реализуют в твердой, сыпучей или пастообразной среде, влажность которой составляет 30-80 %.

Различают три типа твердофазных процессов:

· поверхностные процессы: слой субстрата, например соломы, не превышает 3-7 см («тонкий слой»); роль биореактора выполняют большие, площадью до нескольких квадратных метров, подносы из алюминия или культивационные камеры);

· глубинные твердофазные процессы в неперемешиваемом слое («высокий слой»): биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конъюктивный газообмен;

· твердофазные процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, которая может быть гомогенной или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости.

Если субстрат сыпучий, то отдельные твердые частицы его хорошо контактируют с воздухом, рост микроорганизмов в этом случае происходит главным образом на поверхности твердых частиц, а также в порах, заполненных либо водой, либо воздухом. Обеспечение микроорганизмов кислородом затрудняется с увеличением слоя субстрата. Перемешивание слоя не допускается, если культивируются мицелиальные микроорганизмы, например микромицеты, и из-за отсутствия перемешивания рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации, поэтому часто возникает локальная нехватка питательных веществ. Другая проблема при твердофазной ферментации -- отвод теплоты и поддержание постоянной температуры во всей ферментационной среде.

Однако твердофазные процессы имеют и преимущества по сравнению с процессами, протекающими в жидкой среде:

· они требуют меньших затрат на лабораторное оборудование и эксплуатацию;

· характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;

· низкое содержание воды в субстрате препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;

· твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду большого количества сточных вод.

Управляемый процесс твердофазной ферментации в промышленных условиях осуществлен при производстве ферментов с использованием микромицетов. Сыпучий субстрат с культурой инкубируют в тонком слое (3-7 см) в кюветах, размещенных в камерах, где поддерживают оптимальные температуру и влажность воздуха, обеспечивают принудительную циркуляцию газовой фазы вдоль поверхности ферментируемого субстрата. Воздух в данном случае является и аэрирующим, и теплоотводящим агентом.

Более толстый слой гранулированного крахмалсодержащего субстрата используют для протеинизации (до 20 %) корма при помощи Asp. niger. В данном случае применяют неинтенсивное перемешивание среды.

При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические лотки. В лотки насыпают сыпучую твердую среду слоем 10-15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.

Ферментеры для аэробного культивирования микроорганизмов глубинным способом.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача -- обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой.

По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.

Конструктивные различия ферментеров (биореакторов) определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:

· ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе;

· ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе;

· ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

Ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе.

В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер (биореактор) под определенным давлением. К таким ферментерам (биореакторам) относят:

* барботажные ферментеры (биореакторы), подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;

* аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;

* трубчатые ферментеры (биореакторы) (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь таким образом циркуляции;

* ферментеры (биореакторы) с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости;

* ферментеры (биореакторы) колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

Рисунок 3 - Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) а) барботажный: 1 - корпус, 2 - воздухораспределитель, 3 - карман, 4 коллектор, б) барботажный колонный: 1 - корпус, 2 - рубашка, 3 - воздухораспределитель, в) барботажно-эрлифтный: 1 - корпус, 2 - диффузор-теплообменник, 3 - воздухораспределитель; г) газлифтный: 1 - корпус,2 - диффузор, 3 - диспергатор, 4 - воздухораспределитель, 5 - теплообменник, д) трубчатый: 1 - пеногаситель, 2 - емкость, 3 - диспергатор, 4 - корпус, 5 - распределительная перегородка, е) с плавающей насадкой: 1 - рубашка, 2 - тарелка, 3 - насадка, 4 - корпус

Ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе.

К таким аппаратам относят:

* аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;

* ферментер (биореактор) с турбоэжекторными перемешивающими устройствами -- аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.

Рисунок 4 - Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ): а) - с самовсасывающей мешалкой: 1 - корпус, 2 - мешалка, 3 - циркуляционный контур-теплообменник; б) - эжекционный: 1 - корпус, 2 - насос, 3 - эжектор, в) - струйный с затопленной струей: 1 - эжектор, 2 - теплообменник, 3 - корпус, 4 - насос, 5 - рассекатель, 6 - труба с насадкой, г) - струйный с плавающей струей: 1 - теплообменник, 2 - насос, 3 - корпус, 4 - эжектор

Ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментер (биореактор) представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки.

Рисунок 5 - Ферментаторы с подводом энергии жидкой и газовой фазами (группа ФЖГ): а - ферментатор с мешалками одновальный (ФЖГМО): 1 - корпус. 2 - вал, 3 - мешалка, 4 - диффузор, 5 - воздухораспределитель, 6 - теплообменник; б - ферментатор с мешалками многовальный (ФЖГММ): 1 - КОРПУС, 2 - вал, 3 - мешалка, 4 - диффузор, 5 - воздухораспределитель, 6 - теплообменник; в - ферментатор с мешалкой колонный (ФЖГМК): 1 - корпус, 2 - вал, 3 - мешалка, 4 - воздухораспределитель, 5 - рубашка, 6 - тарелки; г - ферментатор с вибромешалками (ФЖГВМ): 1 - корпус, 2 -рубашка, 3 - вибромешалка, 4 - воздухораспределитель; д - ферментатор с комбинированным вводом энергии колонный (ФЖГК): 1 - теплообменник; 2 - насос, 3 - воздухораспределитель, 4 - переливные устройства, 5 - тарелки, 6 - колонна; е - ферментатор с комбинированным вводом энергии (ФЖГК): 1 - аэратор, 2 - корпус, 3 - диффузор, 4 - насос, 5 - теплообменник; ж - ферментатор с мешалками многовальный с циркуляционным контуром (ФЖГК): 1 - корпус, 2 - вал, 3 - мешалка, 4 - барботер, 5 - диффузор, 6 - насос, 7 - теплообменник

2. Конструктивные элементы биореакторов различных типов

Характеристика мешалок, устанавливаемых в аппаратах с механическим перемешиванием.

Перемешивание производится преимущественно в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами (обычно мешалками). Процесс заключается в распределении растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты, а также в диспергировании капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. При этом возникает циркуляционное течение жидкости по окружности и(или) в меридиональном направлении, сопровождающееся появлением напряжений сдвига. Характер и интенсивность перемешивания зависят от конструкций аппаратов и мешалок.

Наиболее распространено механическое перемешивание, осуществляемое с помощью вращающихся мешалок в вертикальных цилиндрических аппаратахобъемом от 10 дм3 до 50 м3 (иногда до 2000 м3 и более). Наиболее распространенные типы и виды мешалок приведены на рисунках 6, 7 и 8.

Рисунок 6 - Схемы мешалок для системы газ-жидкость: 1 - лопастная; 1' - полая труба; 2 - открытая турбинная; 3 - дисковая турбинная,3' - то же с лопастями под диском; 3" - то же со стреловидными лопастями; 4 -закрытая турбинная, 4' - вариант закрытой турбинной (Япония)

Рисунок 7 - Типы турбинных мешалок: а - турбинная мешалка с прямыми лопатками, б - турбинная мешалка с загнутыми лопатками с усилением, в - турбинная мешалка с прямыми наклонными лопатками, г - турбинная открытая мешалка с прямыми лопатками, д - турбинная открытая мешалка с загнутыми лопатками, е - турбинная открытая мешалка с прямыми наклонными лопатками, ж - турбинная мешалка с плугоными лопатками, з - турбинная тарельчатая мешалка, и - турбинная закрытая мешалка, к турбинная литая мешалка с двойным направляющим аппаратом, л - мешалка типа "беличьего колеса", м - турбинная конусная мешалка

Рисунок 8 - Конструкции мешалок: а турбинная; б трехлопастная; в фрезерная; г - якорная; д - рамная; е- ленточная; ж- шнековая

Аэрирующие устройства биореакторов различных типов.

Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1-2 кг/м3ч; барботажно-колонный - в нижней части корпуса такого аппарата устанавливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0.0005 м или сопловой эжектор с диаметром сопла 0.004 м; барботажно-эрлифтный аппарат характеризуется наличием внутри одного или нескольких диффузоров («стаканов») или нескольких перегородок для принудительного разделения восходящих и нисходящих потоков циркулирующей жидкости;

эти элементы расположены равномерно по сечению аппарата или концентрично; газлифтный колонный ферментер состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая - циркуляционная, с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз; трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее; аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз. В аппарат введены секционные элементы в виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата находится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает противотоком сверху. Газ, поступая на лопастную насадку, обычно из полиэтилена, вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

биореактор аэрирующий мешалка микроорганизм

Рисунок 9 - Барботеры: а - барботер «звездочка»: 1 - коллектор, 2 - верхний ярус лучей, 3 - нижний ярус лучей, 4 - луч; б - барботер с одним ярусом лучей; в - кольцевой барботер

Литература

1. Беккер М.Е. Введение в биотехнологию Пер с латышского. - Рига.: Изд. «Звайгэне», 1978.

2. Биотехнология. В 8 кн. (тома 1, 8) / Под редакцией Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. -- М.: Высшая школа, 1987 г.

3. Виестур У.Э., Кристапсонс М.Ж., Былинкина Е.С. Культивирование микроорганизмов. - М.: Пищевая пром-ть, 1980.-232с.

4. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: курс лекций. - Мн.:БГУ, 2002. - 105с.

5. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. - СПб.: фирма «Наука». 1995.

6. Тихонов И.В., Рубан Е.А., Грязнева Т.Н. и др. Биотехнология (под ред. акад. РАСХН Воронина Е.С.) - СПб.: ГИОРД, 2005. - 792с.

7. Черкасова Г.Н., Фирсова Н.В., Таранцева К.Р. Методические указания к выполнению курсовых работ по дисциплине «Технология белковых и биологически активных веществ» - Пенза: Изд-во ПГТА, 2009.-20с.

Размещено на Allbest.ru