Биореакторы

Биореакторы — это аппараты, в которых осуществляются биохимические преобразования сырьевых компонентов с целью получения целевых продуктов путем

1) культивирования живых объектов — клеток микроорганизмов, растений и животных и/или

2) биоконверсии или биотрансформации исходных материалов (веществ) с помощью специ­фических химических реакций, осуществляемых управляемым путем.

Традиционные химические реакторы могут использоваться для проведения биореакций, одна­ко применение химических реакторов может вызывать множество серьезных проблем, связанных с не учетом биологических особенностей осуществляемых процессов. Термин «биореактор» часто используют как синоним термина «ферментатор», хотя более точно называть ферментаторами сис­темы, в которых осуществляются анаэробные процессы производства спирта из сахара.

Несмотря на конструктивное сходство с химическими реакторами, биореакторы отличаются тем, что в них в них культивируются в строго контролируемых условиях биологические объекты. Именно поэтому в конструкциях биореакторов предусматриваются системы, обеспечивающие очень высокую степень контроля различных факторов (температуры, pH, содержания кислорода и др.), а самое главное посторонних загрязнений, потому что биологические объекты чрезвычайно к ним чувствительны.

Специфика биотехнологических процессов определяется тем, что биологические объекты (живые клетки, субклеточные структуры, выделенные ферменты и их комплексы) оказывают су­щественное влияние на процессы массопередачи и теплообмена.

Важной часть биореактора является система перемешивания, обеспечивающая однородность условий в аппарате, эффективную массопередачу в биореакторе. Устройство и механизм действия систем перемешивания и аэрации варьируют и составляют важный признак классификации биореакторов различных типов. Как сложные многопараметровые аппараты, биореакторы можно классифицировать по ряду критериев (см.

Несмотря на кажущееся обилие числа типов биореакторов, все биореакторы можно подразде­лить на три основные группы (рис. 12):

1) реакторы с механическим перемешиванием;

2) барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускается воздух или другой газ;

3) эрлифтные реакторы с внутренней или внешней рециркуляцией; перемешивание и цир­куляция культуральной среды в них обеспечивается потоком газа (обычно воздуха), за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Биореакторы с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Эффективное перемешивание в больших объемах обеспечивается, если мешалки многоярусны, лопасти расположены в несколько этажей. Кон­струкций мешалок довольно много.

В систему перемешивания входят также отражательные пластины, прикрепленные к внут­ренним стенкам реактора. Эти перегородки необходимы для предотвращения возникновения водо­ворота вокруг вращающейся мешалки, благодаря им круговое движение жидкости переходит в вихревое, равномерно распределенное по всему объему. Такие перегородки не используют при культивировании объектов, образующих обрастания. Для выращивания микроскопических гри­бов используют мешалки с плоскими лопастями, чтобы не разрывать нежный мицелий грибов. При культивировании клеток животных и растений используют очень медленное перемешивание.

В некоторых конструкциях биореакторов используют полые мешалки с полыми лопастями, через которые подается воздух. Дополнительно устанавливают также диффузор (открытый сверху и снизу цилиндр) для усиления разрежения, создаваемого вращающейся мешалкой, что благопри­ятствует аэрации и перемешиванию.

Аппараты с механическим перемешиванием — наиболее распространенная конструкция, используемая в современной промышленности.

Рис.

А реактор с механическим перемешиванием; Б — реактор с циркуляционным перемешиванием (барботажная колонна); В — эрлифтный реактор с внутренней рециркуляцией;

Р эрлифтный реактор с внешней системой рециркуляции. Стрелками показаны направления потоков культуральной среды

Рис. 13. Ферментатор барботажного типа с перемешивающим устройством объемом 100 м³ 1 — привод; 2 — корпус; 3 — муфта; 4 — барботер;

5 — крыльчатка; 6 — змеевик; 7 — турбина; 8 — вал; 9 — труба для вывода жидкости из ферментатора под избыточным давлением

При интенсивном перемешивании куль­туральной среды в процессе ферментации часто происходит ее вспенивание. Для кон­троля ценообразования используют хими­ческие пеногасители или механические сбиватели пены.

Конструкционные особенности барбо­тажных колонн и эрлифтных биореакторов дают им некоторые преимущества перед ре­акторами с механическим перемешиванием. «Пневматические» реакторы более эконо­мичны, поскольку перемешивание в них про­исходит с помощью восходящего потока воз­духа (или другого газа в случае анаэробных микроорганизмолв). Кроме того, в отсутствие механической мешалки исключается и один из путей проникновения в биореактор посто­ронних микроорганизмов. В пневматических биореакторах в культуральной среде не воз­никает столь сильных гидродинамических возмущений (сдвига слоев ЖИДКОСТИ ОТНС '- тельно друг друга), при ЭТОМ в эрлифтных ^.х- ореакторах перемешивание происходит более равномерно по всему объему. Уменьшение сдвиговых эффектов важно, поскольку клет­ки зачастую очень хрупки, имеют утоньшен­ную клеточную стенку, в ответ на внешнее воздействие в клетках уменьшается количес­тво синтезируемых белков и другие измене­ния, влияющие впоследствии на выделение биологически активных веществ.

В барботажных колоннах воздух подает­ся под высоким давлением в нижнюю часть биореактора, что приводит к неравномерно­му его распределению.

данных конструкций и диапазон технологических условий, а также размеры барботажных колонн.

Эрлифтные биореакторы используются в экспериментальных и промышленных установи- Газ в них подается в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, он увлекает за собой жид­кость к верхней части канала — газожидкостному сепаратору, и здесь частично выходит в воздух. Более плотная деаэрированная жидкость опускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора, и процесс повторяется. Таким образом, культуральная среда вместе с клетками неп­рерывно циркулирует в биореакторе.

Эрлифтные биореакторы бывают двух основных типов. В первом случае реактор представляет собой одну емкость с центральной трубкой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реак­торы с внутренней рециркуляцией). Во втором культуральная среда проходит через отдельные, независимые каналы (реактор с внешней рециркуляцией).

Эрлифтные биореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в случае суспензий микроорганизмов с большой плотностью или вязкостью. Перемешивание в них более эффективно.

2.2.