Конструкция биореакторов.

Для создания оптимальной биореакторной системы необходимо точно придерживаться следующей генеральной линии:

1. Биореактор должен быть сконструирован так, чтобы исключить попадание загрязняющих микроорганизмов, а также обеспечить сохранение требуемой микрофлоры.

2. Объем культивируемой смеси должен оставаться постоянным, т. е. чтобы не было утечки или испарения содержимого.

3. Уровень растворенного кислорода должен поддерживаться выше критических уровней аэрирования культуры аэробных орга­низмов.

4. Параметры внешней среды, такие, как температура, рН и т. п., должны постоянно контролироваться.

5. Культура при выращивании должна хорошо перемеши­ваться.

К материалам, используемым при конструировании сложных биореакторов, предъявляются определенные тре­бования:

а) все материалы, вступающие в контакт с растворами, подающими­ся в биореактор, соприкасающиеся с культурой микроорганизма, должны быть устойчивыми к коррозии, чтобы предотвратить загрязнения метал­лами даже в следовых количествах;

б) материалы должны быть нетоксичными, чтобы даже при самой малой растворимости они не ингибировали рост культуры;

в) компоненты и материалы биореактора должны выдерживать по­вторную стерилизацию паром под давлением;

г) перемешивающая система биореактора и места поступления и вы­хода материалов и продуктов должны быть легко доступными и доста­точно прочными, чтобы не деформироваться или ломаться при механи­ческих воздействиях;

д) необходимо обеспечить визуальное наблюдение за средой и культурой, так что материалы, используемые в процессе, по возможности должны быть прозрачными.

Для оптимизации биотехнологических процессов требуется постоянный и тщательный контроль за изменяющейся картиной ферментации, что обеспечивается наличием в биореакторах соответствующих датчи­ков, позволяющих осуществлять избирательный анализ определенных параметров ферментационного процесса. Неотъемлемой частью боль­шинства ферментаций является та или иная степень компьютеризации.

Важным классификационным принципом биореакторов различного типа являются системы перемешивания. По способу перемешивания и аэрации биореакторы под­разделяются на аппараты с механическим, пневматическим и циркуля­ционным перемешиванием.

Наиболее распростра­ненные конструкции в современной микробиологической промышлен­ности - аппараты с механическим перемешиванием (рис.2.). Такие реакторы имеют механическую мешалку с центральным валом и лопастями (лопатками), число которых обычно равно 6, реже 8. Лопасти могут быть прямыми или изогнутыми, часто их располагают в несколько ярусов, что обеспечивает более эффективное перемешивание больших объемов жидкости. В систему входят также отражательные пе­регородки - узкие металлические пластинки, прикрепленные к внутрен­ним стенкам биореактора. Они предотвращают возникновение водоворо­тов и обеспечивают вихревое движение жидкости, равномерно распреде­ляемое но всему объему реактора.

Аэрация может осущест­вляться также путем барботажа - подачи воздуха снизу через горизонтальную трубку с отверстиями, иногда аэрирование достигается применением специальных вибраторов, которые обеспечивают высокую степень асеп­тики, малый расход энергии и относительно слабо травмируют клетки.

В аппаратах с пневматическим перемешиваниеммешалка отсутствует, и перемешивание жидкости осуществляется пузырьками газа.

Рис. 2.Схема устройства биореактора с механическим перемешиванием

1- Крышка люка. 2 - Мешалка. 3 - Крыльчатка. 4 - Отражательная перегородка. 5 - Выход воздуха. 6-7 - Окно для наблюдения. 8-12 - Стерильные соединения. 13 - Ввод пробы. 14 - Муфта для рН электрода. 15 - Карман для термометра. 16 - Сливной кран (для ферментеров емкостью более 2000 литров). 17 - Двойная рубашка. 18-19 - Сочленения для пара и охлаждающей воды. 20 - Слив.

Естественно, что скорость массообмена в них намного ниже, чем в ферментерах с механическим перемешиванием.

Классическим аппаратом такого типа является эрлифтный реактор (air lift - подъем воздуха). Биореакторы с пневматическим перемешива­нием характеризуются более мягким (плавным) перемешиванием содер­жимого и получили распространение при выращивании клеток животных и растений.

Биореакторы циркуляционного типа осна­щены насосами и эжекторами, создающими направленный ток жидкости по замкнутому контуру (кругу). Жидкость увлекает за собой пузырьки газа и тем самым культуральная среда одновременно с перемешиванием можетнасыщаться либо атмосферным кислородом, либо (с использова­нием специальных устройств и эжекторов) газом иного типа. Эти биореакторы отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

В последнее время разрабатываются новые способы аэрации. На­пример, воздух может подаваться через специальные полипропиленовые мембраны. Это позволяет избегать ценообразования, и очень хорошо за­рекомендовало себя при выращивании клеток эукариотических организ­мов, в частности при промышленном получении интерферона.

Теплообмен в биореакторах осуществляется с помощью труб с охлаждающим или нагревающим агентом, которые оплетают аппарат и образуют так назы­ваемую рубашку реактора. Иногда эта система труб располагается непо­средственно в полости ферментера. Нагревающими агентами в промыш­ленных биореакторах служат горячая вода или пар, в лабо­раторных ферментерах чаще используется электрический подогрев.

Система пеногашения биореактора – это средство борьбы с избыточным пенообразованием. Существуют химические, механические, акустические и другие виды пеногашения. Наиболее часто применяют химические и механические способы. К химическим средствам пеногашения относятся поверхностно активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногаситслями служат растительные масла и животные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при их утилизации микробными клетками сами по себе способствуют пенообразованию.

Механические пеногасители представляют собой различные устрой­ства, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое.

Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией био­реактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилиза­ции оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферментеры воздуха или другого газа.

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных ус­тановках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной каме­ры: 0,5-100 л (лабораторные), 100-5000 л (лабораторно-промышленные) и 5000-1 000 000 л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба фер­ментации решаются конкретные задачи отработки (на­лаживания) производства и его оптимизации.

С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:

1) кинетические - определение скорости роста клеток, эффектив­ности утилизации субстратов и образования целевого продукта;

2) некоторые массообменные - расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О₂ и других газов, скорость освобож­дения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО₂);

3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируе­мые субстраты и О₂ с получаемыми целевым и побочными продуктами.

Лабораторно-промышленные установки используют для поиска наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирования промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются приме­нять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промыш­ленном масштабе.