Элементы, слагающие биотехнологические процессы: аппаратура, продукты

24 Декабря в 21:54 3583 0


Аппаратура

Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии.

Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный непрерывный (или с подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки.

В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность методов культивирования, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, целевого продукта и пр.

Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается:
- в чувствительности биологических агентов к механическим воздействиям;
- наличии межфазового переноса веществ (по типу "жидкость-клетки", "газ - жидкость-клетки");
- требовании условий асептики;
- низких скоростях протекания многих процессов в целом;
- нестабильности целевых продуктов;
- пенообразовании;
- сложности механизмов регуляции биосинтеза.

Рассмотрим некоторые типы ферментационных аппаратов. Аппараты для анаэробных процессов применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных расходов, а также различных других отходов. При метановом брожении для получения биогаза, а также в ряде других процессов (получения ацетона, шампанских вин) используют ферментационные аппараты (метантенки).

Эти аппараты имеют различную конструкцию (от простой выгребной ямы до сложных металлических дайджестеров или железобетонных сооружений) и объемы (от нескольких до сотен кубометров). Данные аппараты оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема (газгольдером) для сбора образуемого биогаза.

Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот (жидкофазные) и ферментов (твердофазные). Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду, высота слоя составляет 80-150 мм, затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют порами продуцента.

В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцеры и поступает на обработку. При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10-15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.

Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача, возникающая при их конструировании, - обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой. Массообмен определяется транспортом (переносом) кислорода и других биогенных элементов из среды в микробную клетку и отводом из нее продуктов обмена. Главным показателем массообменных характеристик ферментатора служит коэффициент массопередачи кислорода, так как кислород является основным лимитирующим фактором аэробных ферментационных процессов. Расход кислорода на образование 1 кг биомассы, в зависимости от типа углеродосодержащего сырья и степени его восстановленности, может составлять от 0,75 до 5,00 кг.

Клетки способны утилизировать кислород только в растворенном виде, поэтому необходимо постоянно поддерживать его концентрацию в культуре на уровне, оптимальном для конкретного продуцента. При этом скорость поступления кислорода к клеткам должна превышать скорость его включения в клетки и в околоклеточном пространстве не должно возникать так называемых «концентрационных ям». Кроме этого, концентрации клеток и растворенного субстрата должны быть равномерными по всему объему ферментатора.

Поэтому перемешивание является также одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую гидродинамическую обстановку в аппарате. При интенсивном перемешивании пузырьки воздуха дробятся в аппарате и, диспергируясь, увеличивают площадь контакта фаз «среда -клетка». Однако очень сильное перемешивание может вызвать механическое повреждение биологических объектов.

К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно. Наиболее удачна, по нашему мнению, попытка классификации ферментационных аппаратов для аэробной глубинной ферментации по подводу энергии для перемешивания (Виестур и др.,1986, табл. 2.4). Согласно этой классификации аппараты такого типа делятся на три группы по подводу энергии: 1- к газовой фазе (ФГ), 2 - к жидкой фазе (ФЖ), 3 - комбинированный подвод (ФЖГ).

Таблица 2.4. Классификация ферментаторов по способу ввода энергии
Классификация ферментаторов по способу ввода энергии

Ферментаторы с подводом энергии к газовой фазе (рис. 2.7). Их общий признак - подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментаторы характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м -ч). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.

Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ)
Рис. 2.7. Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ)
а - барботажный: 1-корпус, 2-воздухораспределитель, 3-карман, 4-коллектор; б - барботажно-колонный:
1- корпус, 2 - рубашка, 3-воздухораспределитель; в - барботажно-эрлифтный: 1-корпус, 2-диффузор-теплообменник, 3-воздухораспределитель; г - газлифтный: 1-корпус, 2- диффузор, 3-диспергатор, 4-воздухораспределитель,  5-теплообменник; д - трубчатый: 1-пеногаситель, 2-емкость, 3-трубы, 4-корпус, 5-распределительная перегородка;

Барботажный - газораспределительное устройство данного типа обычно устанавливается в нижней части аппарата; подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1-2 кг/м -ч.



Барботажно-колонный - в нижней части корпуса такого аппарата устанавливается перфорированная пластина с диаметром отверстий 0,0005 м или сопловой эжектор с диаметром сопла 0,004 м.

Барботажно-эрлифтный аппарат характеризуется наличием внутри одного или нескольких диффузоров («стаканов») или нескольких перегородок для принудительного разделения восходящих и нисходящих потоков циркулирующей жидкости; эти элементы расположены равномерно по сечению аппарата или концентрично.

Газлифтный колонный ферментатор состоит из двух колонн разного диаметра, соединенных между собой; одна представляет собой барботажную колонну с восходящим потоком воздуха, другая - циркуляционную с нисходящим потоком. Воздух вводится в нижнюю зону аппарата, в барботажную колонну; камера, соединяющая колонны в верхней части аппарата, образует большую поверхность контакта фаз.

Трубчатый аппарат сконструирован по типу теплообменных труб; взаимодействие газа в трубе при высоких скоростях продувки более интенсивное, чем в большом объеме, поэтому массообмен интенсивнее.

Аппарат с плавающей насадкой позволяет интенсифицировать массообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации жидкости при работе с большими скоростями подачи газовой и жидкой фаз. В аппарат введены секционные элементы в виде решеток, оборудованных лопастной насадкой; в центре аппарата находится труба, через которую вводится воздух, а жидкая фаза поступает противотоком сверху. Газ, поступая в лопастную насадку, сделанную обычно из полиэтилена, вращает ее; это существенно увеличивает поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (рис. 2.8) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают более высокие по сравнению с группой ферментаторов ФГ значения коэффициента массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м -ч. В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделить на ряд типов.

Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ)
Рис. 2.8. Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ)
а - с самовсасывающей мешалкой: 1-корпус, 2-мешалка, 3-циркуляционный контур-обменник; б — эжекционный: 1-корпус, 2-насос, 3-эжектор, 4-диффузор-теплообменник, 5-воздухозаборник; в —  струйный  с  затопленной   струей: 1- эжектор, 2-теплообменник, 3-корпус, 4-насос, 5-рассекатель, 6-труба с насадкой; г  —  струйный  с  падающей  струей: 1- теплообменник, 2-насос, 3-корпус, 4-эжектор

Ферментаторы с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки.

В эжекционных ферментаторах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментатор может интенсифицировать массообмен на порядок.

Струйные ферментаторы (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэрирующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные). Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата.

Происходят интенсивная турбулизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, т. е. возникает замкнутый контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.

Третья группа аппаратов - с подводом энергии газовой и жидкой фазы (группа ФЖГ). Основными их конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств. Это могут быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости и другие сочетания перемешивающих и аэрирующих устройств.

Коэффициент массопереноса кислорода в таких ферментаторах может в принципе иметь любой из известных значений.

Ферментаторы периодического действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ. Их конструкции обеспечивают стерильность ферментации в течение длительного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента.

Прогресс в области получения клеточных и рекомбинантных культур выдвигает специальные требования к биореакторам. При этом на первый план выдвигаются такие показатели, как стабильность биологических агентов, повышенные требования к асептике, лимитация срезовых условий при перемешивании и др.

Продукты

Все продукты, получаемые в биотехнологии, можно разделить на две группы:
1. Продукты основной биотехнологии - крупнотоннажные производства с невысокой степенью очистки:
- технические ферментные препараты: протеазы (для облагораживания некоторых видов мяса, обработки шкур); амилазы (для частичного гидролиза крахмала в крахмалсодержащих видах пищевого сырья, обработки муки), пектиназы (для осветления соков);
- пищевые добавки или сырье для их приготовления (белок одноклеточных организмов);
- микробиологические средства защиты растений, часто представляющих собой высушенную культуру микроорганизмов, патогенных для насекомых-вредителей сельского хозяйства;
- метаболиты для использования в пище и кормах: первичные метаболиты - аминокислоты, витамины, кислоты (лимонная кислота), спирты, растворители; вторичные метаболиты - антибиотики для медицины и ветеринарии.

2. Продукты тонкой биотехнологии - комплекс процессов и производств, ориентированный на получение высокоочищенных продуктов:
- высокоочищенные ферментные препараты, используемые в медицине в качестве лекарственных средств, при обработке пищевых продуктов, в качестве аналитических реагентов в клинической лабораторной диагностике и производстве (при контроле за ходом технологических процессов и качества готовой продукции химической технологии и биотехнологии);
- действующие основы лекарственных средств (инсулин и другие вещества гормонального действия).

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы