Системы аэрирования и перемешивания

Перемешивание в биореакторах решает следующие задачи: интенсификация процессов массопередачи газ-жидкость и жидкость-клетка; интенсификация теплопередачи при термостатировании среды; диспергирование капель жидкости и пузырьков газа; выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды; выравнивание концентраций в объеме среды.

Для аэрации культуральной среды при аэробных биотехнологических процессах используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО₂), которые подлежат удалению.

Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.

Биореакторы с механическим перемешиванием – имеют мешалку, которая состоит из центрального вала и 6-8 лопастей, расположенных в несколько этажей. В систему перемешивания входят отражательные перегородки, которые переводят круговое движение жидкости в вихревое. Аэрация осуществляется путем подачи воздуха снизу через горизонтальную трубку с отверстиями (барботер). Такие биореакторы используют для производства кормовых дрожжей и спирта.

Биореакторы с пневматическим перемешиванием – мешалка отсутствует; перемешивание осуществляется пузырьками газа. В таких биореакторах скорость массопередачи между газом и жидкостью усиливается вращающимися дисками с отверстиями или придонными пропеллерами. Возможен вариант, когда воздух подается не во внутренний, а во внешний объем среды. На пневматическом перемешивании основаны колоночные биореакторы, они разделены горизонтальными перегородками на этажи, это усиливает аэрацию и перемешивание. Такие биореакторы используют для культивирования клеток животных и растений.

Биореакторы с циркуляционным перемешиванием – содержат насосы, которые создают направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Жидкость увлекает за собой пузырьки газа. Разработаны аппараты, в которых сочетается циркуляционное и пневматическое перемешивание. Такие ферментаторы можно заполнять твердыми частицами (песок, куски обожженной глины, гранулы полимеров), это улучшает перемешивание, препятствует обрастанию стенок биообъектом, улучшает диспергирование воздуха в жидкости. При этом клетки растут в виде пленки на твердых частицах. Такие биореакторы используют для культивирования грибов и актиномицетов.