ВОПРОС №3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

С увеличением мощностей предприятий микробиологического синтеза, а также с расширением ассортимента получаемых продуктов биосинтеза растет количество вариантов конструктивного оформления и принципов работы промышленных биореакторов. Отсутствие универсальности в конструктивном решении аппаратов вызвано стремлением увеличить объем единичного аппарата (до 100 м³ и более) и одновременным усложнением решения массообменных и теплообменных проблем в них. Однако чем больше объем жидкости в аппарате, чем сильнее проявляется в нем неидеальность перемешивания, тепловая и диффузионная неравномерность, а также неравномерность распределения вносимой энергии, что всё вместе создает резко различающиеся условия жизнеобеспечения клеток в различных частях аппарата. Эти обстоятельства вызвали появление десятков новых конструкций.

Так, при культивировании дрожжевых и других быстрорастущих одноклеточных организмов в производстве биомассы потребляется большое количество кислорода. Здесь требуется эффективная система массопередачи кислорода, обеспечивающая большую скорость процесса. Вместе с тем жидкость слабо пенится, а посторонняя микрофлора не приносит большого ущерба технологическому процессу. Для этих производств получили развитие относительно простые, часто негерметичные и дешевые при изготовлении аппараты, в которых перемешивание осуществляется воздухом путем создания различных циркуляционных контуров для массопередачи кислорода в жидкость, совмещенного с его барботажем. Культивирование грибов и актиномицетов, образующих в глубине жидкости колонии и их скопления больших размеров, по сравнению с клетками, предъявляют особые требования к интенсификации массопередачи. Процесс затрудняется большой вязкостью среды. При использовании таких организмов в производстве биологически активных соединений получили распространение герметичные стерилизуемые реакторы, изготовленные из дорогих марок стали, легированных цветными металлами, и снабженные многоярусными мешалками. Получили также развитие аппараты комбинированного типа с пневматическим и механическим перемешиванием, обладающие высокими массообменными характеристиками. Поэтому стала очевидным необходимость классификации биореакторов.

Рассматривая комплексные системы ферментации, в которые ферментер входит как основной, но не единственный элемент, можно подойти к классификации ферментеров в зависимости от осуществляемых в них процессов, которые разделяются на следующие группы:

1. Аэробные – анаэробные;

2. Периодические – непрерывные;

3. Асептические – нестерильные;

4. Целевой продукт внутри клетки – вне клетки;

5. Культивирование поверхностное – глубинное;

6. Субстраты растворимые – нерастворимые;

7. Условия в ферментере близкие к идеальному смешению – идеальному вытеснению.

Перечисленные группы процессов не равноценны по влиянию на конструкции ферментеров. Гораздо точнее можно охарактеризовать ферментер, используя следующую классификацию:

1. Тип движения жидкой фазы (идеальное смешение, промежуточное состояние перемешивания, идеальное вытеснение);

2. Тип дробности процесса (непрерывные, полунепрерывные, периодические);

3. Тип субстрата (растворимый субстрат, жидкий нерастворимый субстрат, твердый субстрат, газообразный субстрат);

4. Тип условий герметичности (стерильные, асептические, нестерильные).

В то же время на практике часто один и те же ферментеры по этой классификации используют для проведения разных процессов. Так же не определена классификация ферментеров по чисто конструктивным признакам, поскольку такой способ не отражает функции аппаратов.

Наиболее часто используемая на практике классификация ферментеров, к которой конструктивные различия определяются в основном способом ввода энергии в аппарат:

1. С газовой фазой:

1.1.Пульсационные

1.2.Колонные с плавающей насадкой

1.3.Трубчатые

1.4.Колонные тарельчатые

1.5.Колонные газлифтные

1.5.1. Петлевые

1.5.2. Рециркуляционные

1.6.Барботажные газлифтные

1.7.Барботажные

2. С жидкой фазой

2.1.Струйные

2.1.1. С затопленной струей

2.1.2. С падающей струей

2.2.Эжекторные

2.3.С самовсасывающими мешалками

2.3.1. С одновальными мешалками

2.3.2. С многовальными мешалками

3. Комбинированный подвод энергии

3.1.Комбинированные

3.2.С перемешивающими устройствами

3.2.1. С вибромешалками

3.2.2. С одновальными мешалками

3.2.3. С многовальными мешалками

3.2.4. Колонные с мешалками

Для каждой из этих групп могут быть разработаны методики инженерного расчета основных конструктивных элементов и режимов работы.