Обеспечение тепло- и массообмена

Устройство и основные конструкторские детали ферментеров и биореакторов

Ферментаторы – это герметичные цилиндрические емкости, высота которых в 2-2,5 раза превышает диаметр. Их изготавливают из нержавеющей стали; они снабжены мешалкой диаметром примерно ¹/₃ диаметра аппарата. Рабочий объем – не более 0,7 общего объема. Свободное пространство выполняет роль буфера, здесь накапливается пена и таким образом предотвращаются потери культуральной жидкости. Биореакторы укомплектовывают измерительными приборами, регулирующими устройствами, устройствами для пеногашения, смотровыми люками.

К биореакторам и к другому оборудованию предъявляют следующие требования: возможность использования для культивирования разных биообъектов (бактерий, грибов, клеток растений и млекопитающих); они должны быть изготовлены из инертных и коррозийностойких материалов; эксплуатационная надежность; стабильность в работе; высокие экономические показатели; эстетичность; легкость в обслуживании.

Различают следующие типы биореакторов:

· по способу перемешивания и аэрации: аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием;

· по размеру и целевому назначению: лабораторные, пилотные, промышленные;

· по режиму работы: периодические и непрерывно действующие, периодический режим с доливом субстрата, полупериодические, непрервно-проточные;

· по условиям культивирования: аэробные и анаэробные, мезофильные и термофильные, для глубинного и поверхностного культивирования, аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные.

Современный биореактор должен обладать следующими системами: 1) эффективного перемешивания и гомогенизации питательной среды; 2) обеспечения доступа и быстрой диффузии газообразных агентов (система аэрации среды); 3) теплообмена; 4) пеногашения; 5) стерилизации сред, аппаратуры и воздуха; 6) контроля и регулировки процесса.

Обеспечение тепло- и массообмена

Теплообмен – перераспределение тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Теплообмен является важной составной частью процессов, протекающих в биореакторе, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в зависят от температуры.

Теплообмен зависит от ламинарного и турбулентного движения теплоносителя; толщины и качества материала стенок биореактора; вязкости среды; скорости потока при полунепрерывном и непрерывном способах культивирования биообъектов; характера охлаждения биореактора.

Большинство биотехнологических процессов протекают при температуре 30 - 50 ºС (мезофильные условия). Поэтому всегда необходим отвод тепла, особенно в биореакторах, в которых выращивают аэробные клетки. Для отвода тепла используют рубашки аппаратов, змеевики, которые монтируют внутри биореактора, выносные теплообменники и др. Для поддержания теплового режима в ферментаторе используют артезианскую воду (12 - 15 ºС); смесь артезианской и оборотной воды, т.е. воды, которая прошла через ферментатор (18 - 20 ºС); «захоложенную» воду (10 ºС), получаемую на специальных установках.

Расчет и оптимизация системы теплообмена усложняется наличием в биореакторе контактирующих поверхностей: между клеткой и питательной средой; между средой и стенкой аппарата; между стенкой и охлаждающей жидкостью рубашки биореактора; между рубашкой и наружной средой и т.д.

Теплообмен описывается уравнением: , где Q – теплота, переданная в единицу времени от одной фазы другой (например, внутренний объем биореактора – окружающая среда); A – площадь поверхности теплообмена; ∆T – межфазная разность температур.

Коэффициент теплопередачи U соответствует количеству теплоты, которая передается в единицу времени через единичную поверхность при разности температур в 1ºС.

Повысить скорость передачи теплоты между внутренним объемом и системой теплообмена, т.е. увеличить эффективность работы этой системы, можно за счет: повышения коэффициента теплопередачи; увеличения поверхности теплообмена; увеличения разности температур.

Коррозия стенок биореактора или их загрязнение снижают коэффициент теплопередачи. Поэтому необходимо изготавливать аппараты из неподверженных коррозии материалов и его поддержания в чистоте.

Для регуляции теплообмена изменяют длину трубопровода, используют теплообменники пластинчатого типа или типа «труба в трубе» и др.

Массопередача – обмен веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую).

Так, при выращивании биообъекта в ферментаторе образуется сложная система массопереноса кислорода: газ – жидкость – твердое тело (т.е. биообъект). Эту систему можно разделить на три части: газ – жидкость, жидкость – жидкость и жидкость – твердое тело. В этих системах перемещение кислорода будет неравноценным и зависит от растворимости газа в жидкой фазе, мощности барботажа, размеров пузырьков, скорости вращения вала и формы мешалки, химического состава питательной среды, температуры, толщины невозмущаемых слоев жидкости вокруг газового пузырька и клетки и т.д. Исходя из этого необходим постоянный контроль за содержанием кислорода в среде.

Для эффективного переноса кислорода необходимо добиваться разности его концентрации в направлении от газового пузырька к клетке. С этой целью, учитывая низкую растворимость кислорода в воде и водных растворах, приходиться подавать его в биореактор в повышенных количествах. Следует добиваться, чтобы все аэробные клетки были насыщены кислородом.

Для микроорганизмов, например кишечной палочки, такая критическая концентрация растворенного кислорода составляет 0,0082 ммоль/л при 38ºС, для пеницилла – 0,022 ммоль/л при 24ºС, для дрожжей – 0,0037 ммоль/л при 20ºС. Причем общая потребность в кислороде достигает максимума в конце log-фазы и начале const-фазы. Это означает, что удельная скорость размножения клеток достигает своего пика раньше, чем скорость использования кислорода.

Скорость потребления кислорода биообъектом зависит от:

· возраста культуры – размножающиеся клетки потребляют больше кислорода;

· межклеточной адгезии – конгломераты клеток потребляют меньше кислорода, чем отдельные клетки;

· скорости накопления биомассы клеток – чем она больше, тем скорость поглощения кислорода быстрее;

· динамических изменений питательной среды – большая вязкость снижает поступление кислорода к клеткам;

· качества источников питания – отношение количества потребляемого кислорода к количеству превращенной глюкозы всегда меньше, чем аналогичное соотношение при окислении углеводородов из нефти;

· продуктов метаболизма – секретируемые белки снижают массопередачу кислорода;

· пеногасителей – лаурилсульфат натрия, например, снижает коэффициент массопередачи кислорода.

Скорость переноса кислорода (QO₂) рассчитывают на единицу объема реактора, исходя из отношения произведения плотности потока и площади поверхности раздела фаз (газ – жидкость) к объему жидкой фазы в биореакторе:

,

где – объемный коэффициент массопередачи; - концентрация растворенного вещества в жидкой фазе, находящейся в равновесии с газовой фазой; А – площадь поверхности раздела фаз “газ – жидкость”; – объем жидкой фазы.

, когда кислород быстро усваивается клетками; массообмен кислорода при этом максимален.

Объемный коэффициент массопередачи зависит от характеристики среды культивирования и аппарата. Он существенно меняется при внесении в среду биообъекта, обычно в сторону увеличения, что объясняется активным поглощением кислорода клетками – это способствует поступлению его новых порций в жидкость из газовой фазы.

В биосистемах массообмен связан также с выведением углекислоты и транспортом различных соединений через мембраны клеток. Диоксид углерода может находиться в среде в виде СО ; НСО ; Н₂СО₃ и СО₂. Растворимость диоксида углерода зависит от рН жидкости; он транспортируется через границу раздела фаз “газ – жидкость” только в растворенном виде.