Ферментація, будова ферментера

Стадія ферментації – центральна ланка серед етапів промислового виробництва. Під ферментацією розуміють усю сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене й термостатоване середовище інокуляту до завершення процесів росту, біосинтезу або біотрансформації.

Ферментація здійснюється у спеціальних ємностях, які називаються ферментерами або біореакторами. Конструкція біореактора наведена на рис. 2. Основними елементами ферментера є подвійні стінки, проміжок між якими заповнюється рідиною (для нагрівання або охолодження), вхідні отвори для газових і рідких потоків, система контролю як за складом поживного середовища, так і умовами усередині реактора.

Рис. 2. Будова ферментера

Оскільки в промисловій біотехнології виділяють 2 типи процесів – нагромадження біомаси й нагромадження поживних речовин, які утворюються у ході росту й наступного розвитку культури, то змінюється й характер відтворення виробництва в часі. Біомаса одноклітинних вирощується безперервним способом в апаратах хемостатного типу, а всі процеси другої групи здійснюються періодично, коли в тому самому апараті у виробничому циклі протікають всі необхідні фази розвитку клітин і біосинтезу. Процеси двох розглянутих типів відрізняються за вимогами до ступеня асептики, що пов'язано з їхніми обсягами – білок одноклітинних випускається мільйонами тонн сухої речовини, а випуск продуктів другого типу складає, як максимум, тисячі або десятки тисяч тонн. Тому у виробництві білкових речовин обмежуються досить високим, але не 100% ступенем асептики, забезпечуючи останній підбором режиму культивування, що підходить для продуцента, але несприятливого для можливих сумісних штамів.

Технологічне оформлення процесів промислової біотехнології значною мірою визначається відношенням мікроорганізму-продуцента до кисню. При використанні аеробних культур ферментаційне устаткування й норми технологічного режиму підбираються таким чином, щоб масообмін (перенесення кисню з газової в рідку фазу) забезпечував надходження кисню до клітин у кількостях, необхідних й оптимальних для даної культури в даній фазі росту.

Промислове використання факультативних анаеробів не ставить завдання абсолютного виключення кисню із середовища, тому процеси цього типу (бродіння) технологічно простіші аеробних. На початковій фазі цих процесів потрібно лише видалити кисень із газової фази над культуральною рідиною, що може бути досягнуто введенням інертного газу або просто витісненням повітря вуглекислим газом, який виділяється клітинами при метаболізмі.

Технологічне оформлення суворо анаеробних процесів складніше, ніж для процесів бродіння, тому що в цьому випадку необхідно повністю виключити можливість потрапляння кисню в газове, а відтіля й у рідке середовище.

Питання термостатування ферментаційного процесу (підведення або відводом тепла в ході ферментації) є дуже гострими в цілому ряді виробництв біотехнології. В аеробних умовах мікробіологічний синтез протікає зі значним тепловиділенням, що викликає необхідність відводу тепла з апаратів великого обсягу (сотні й тисячі кубометрів). Технологічні вимоги до швидкості тепловідводу дуже складні через вузький температурний оптимум росту культури (2 – 3°С). На практиці найбільш часто використовують спосіб тепловідводу – охолодження водою через змійовики, сорочки й ін. пристрої – ускладнюється невеликою різницею температур між вмістом біореактора (32 – 34°С для дріжджів Candida) і холодною водою (20°С), температура якої в жарку пора року ще вища. Тому в реакторі створюється розвинена поверхня газообміну, збільшується швидкість руху рідин і т.д.

Важливо також підтримувати певний склад поживного середовища У безперервних процесах біосинтезу завдання технолога зводиться до підтримки концентрації всіх поживного речовин (і кисню) і дозованому введенню кислоти або лугу для підтримки постійного рН системи. Найпростішим варіантом керування стадією ферментації в періодичному режимі є зміна концентрацій компонентів середовища і його рН, а також введення необхідних добавок по заздалегідь розробленій програмі, реалізованої технологом у кожному циклі ферментації. Цей спосіб відносно простий і легко піддається автоматизації.

У багатьох випадках необхідно повністю вичерпувати компоненти поживного середовища щоб вони не попадали на наступні стадії переробки. Ця необхідність може бути викликана рядом причин: дорожнеча або дефіцитність субстрату; шкідливий вплив субстрату на якість готового продукту (наприклад, при виробництві дріжджів на алканах, коли виділення залишкових кількостей вуглеводнів із клітинної маси ускладнено, тому додають додаткові секції для дозрівання або утилізації утворених у цитоплазмі вуглеводнів); ускладнення, які виникають на стадії виділення й очищення метаболітів при одночасній присутності в культуральній рідини неутилізованих речовин.