Дәріс № 9. Биореактордың қолдану принципі және құрылымы

Биореакторлар (ферментерлер) деп - биосинтетикалықүдерістер жүргізуге арналған сиымдылығы қолданылу аясына байланысты әртүрлі (зертханалық 10 л, пилотты 150 л немесе өндірістік 100 м³ және т.б.) болып келетін ыдыс қондырғылары айтылады. Биореакторларда микроорганизмдер өсіpiлiп, биомасса көлемі белгілібірмөлшерге дейін жинақталған соң, қажеттіөнім синтезделеді.

Биореакторларды өте жоғары сапалы болаттардан немесе кейбір кездері титаннан жасайды. Биореактордыңішкi жағы жылтырланған тегісті болуы қажет.

Биореакторларда көптеген мөлшердегітіріжасушалар немесе реагенттер мен ферменттердіңқосындылары сақталуы мүмкін.

Биокаталикалықүдерістердің көпшілігі сулы ортада жүреді. Мұндағы басты мақсат, жасушаларды немесе реагенттерді адамдарға кажетті ақырғы өнімін алуға бағыттап индукциялау. Қондырғыда өтетінүдеріс аяқталып біткеннен кейін, дайын өнімдері жиналып алынады.

Биореакторлардағы басты артықшылық, үдерістер тоқтатылмай, ұдайы жалғасын тауып жатқанда, мұндағы түзілетінөнімдері белгілібip мерзімдер аралықтарында бірнеше қайталана жинап алынады. Ферментацияның көпқолданылатын қарапайым тәсілінде кажетті жасушалар, құрамында суы, қоректі заттары, азот көздері және ауасы бар ортаға салынады. Жасушалардыңқоректі ортадағы белгілі бip тығыздыққа дейін өсіп-көбеюіне мүмкіндік беріледі. Мұндағы жүретінүдерістердің жақсы өтуiүшін, қоректік ортаныңқұрамында жасушаға қажетті барлық химиялық элементтер болуы қажет. Сондықтан, жасушалардың өсірілу ортасының жағдайы әрдайым қадағаланылып, басқарылып отырылуы тиіс. Қоректік ортадағы қоректік заттардың жасушаның айналасындағы айналымын қамтамасыз ету және зат алмасуы нәтижесінде пайда болатын көмірқышкыл газы мен басқа да қажетсіз заттардан арылту мақсатында, төмендеп шаралар жасалынып тұруы қажет:

1. Деміл-деміл араластырылып тұруы.

2. Циркуляцияланатын ортада микроорганизмдер суспензиясын пайдалану.

Қоректік ортадағы ерітілген оттегінің жасушаларға әрдайым жеткізіліп тұрылуын естен шығармау қажет. Жасушалар қоректік орта құрамындағы алғашкы заттардан, адамдарға кажетті заттарды синтездейді. Кейіннен, жасуша шырыны (секреті) ретінде бөлініп шыққан қажетті заттар тазартылып немесе химиялық жолмен өндіріліп алынады.

Өсірілетін дақылдар мен ондағы алынатын өнім түрлеріне байланысты, биотехнологиялық үдерістер өтуге арналған қондырғыларды:

1. бактериялар мен микроскопиялык санырауқұлақтарды өндіруге арналған;

2. өсімдіктер жасушалары мен ұлпаларын өcipyre арналған;

3. хайуандар мен адамдардын жасушалары мен ұлпаларын өcipyгe арналған типтерге бөлуге болады.

Жасушалыққабаты бар өсімдік жасушалары болса (бактериялар мен микроскопиялық саңыраукұлақтарындағы сияқты), бактериялар мен микроскопиялық саңыраукұлақтарға қарағанда көбейіп, өcyi мен дамуына ұзағырақ уақытты талап eтyi себепті, бұларда өтетін биотехнологиялық үдерістердің өзгешелеу жүруі және қондырғы құрылымының да бipшамa басқаша жасалуын қажет етеді.

Ал, хайуандар мен адамдардың жасушалары мен ұлпаларында жасуша қабаты болмағандықтан, басқа да эукариот және прокариот жасушаларымен салыстырғанда, өте бүлінгіш және өздерініңтіpшiлікету жағдайына аса сезімтал келеді. Сондықтан осындай биозаттардың баппен қаралып-күтілуіне жағдай жасау үшін, бұларғa арналған қондырғылар «баяу козғалатын» болып келуіқажет. Keйбip жағдайларда, мысалы, өсімдік жасушаларын тереңдете өcipy үшін (мысалы, адамтамыр өсімдігінің суспензиясын алуда), бактериялар мен микроскопиялық саңырауқұлақтарды өcipyre арналған қондырғылар да пайдаланылуы мүмкін.

Периодты әсермен жұмыс атқаратын ГСФ тобындағы ферментерді өндіріске 1944 жылдардан бастап антибиотиктер, дәрумендер өндіру мақсаттарында қолданысқа енгізді.

Негізінен, ферментаторлардың құрылысы мен атқаратын қызмeттepi бip-бipіне ұксас болғандықтан, оларды жалпылай алғанда - стеридті, яғни ауасыз жұмыс істейтін (анаэробты) және ауа жеткізіліп тұрылатын (аэробты) деп екіге бөліп те атайды.

Аэрацияланатын (аэробты) биореакторлар өз кезегінде араластырғыштары (қозғағыш) бар және жоқ болып бөлінеді.

Соңғы кездері мембраналы биореакторлар, жалпақпішінділері және т. б сынақтан өткізіле бастады.

Биореакторларды құрастыру кезінде, әртурлі микроорганизмдер өкілдерінің биологиялық үдерістерініңөту мерзімі есепке алынады.

Ферментаторлардың көлемі, оның сыртқы диаметрінің биіктiгінe қатынасымен анықталады және бұл қатынас көбінесе 1:2 ден 1:6 дейін аралықта болады.

Әржақты және көп қолданылатын ферментаторлар қатарына, анаэробты және аэробты түрлер жатады. Бұл ферментаторларды өз кезегінде араластыру үшінқажетті энергия көздерінің жеткізілуіне байланысты:

· газды фазалы (ГФ);

· сұйыктық фазалы (СФ),

· газды және сұйықтық фа­залы (ГСФ) деп бөледі.

Келтірілген классификация арқылы ферментерлердің конструктивті бөлшектеріне лайықты инженерлік есептеулер мен олардың жұмыс режимдерінің бipтeктi әдістерін қалыптастыру мүмкін болады.

Осы үш типті ферментерлер­дің көптеген элементтерінде жалпылай ұқсастық бар. Мұндағы негізгі айырмашылықтар - аэрациялайтын және араластыратын белгілерінде ғана.

ГФ тобындағы ферментаторлардың iшіндегі конструктивті сипаты түрінде сыйымдылыгы 63 м³ келетін эрлифтіпішінін айтуға болады. Бұл қондырғыда механикалық араластырғыштың болмауы себепті, асептикалық жағдайды ұстап тұру оңай. Ортаныңаэрациясына қажетті ауа ферментатордыңішінен вертикалды орналасқан түтік арқылы беріледі. Диффузордың төменгі жағында орналасқан және конструкциясы шығатын ауаныңұйытқуын тудыратын аэратор арқылы, қоректік орта ауамен камтамасыз етіледі. Газды-сұйықтық диффузор арқылы жоғары көтеріліп, оның шеті арқылы араластырылады. Дәл осы аймақта ауаның бip бөлігі қондырғыдан шығарылса, бұдан тығыз орта ферментатор мен диффузор аралықтарындағы дөңгелек алаңқайларға араластырғыштар, аэрациялық және жылудан босатуға арналған кұрылғылары болады.

Осындай жолмен ферментатордағы ортаныңқайталанатын циркуляциясы жүзеге асып отырылады. Ферментатор ішінде биологиялық үдерістер нәтижесінде пайда болатын ыстық ауаны шығаруға арналған арнаулы түтік (змеевик) болады, және қондырғы секциялық бөлімдер арқылы қорғалады. Казіргі кезде мұндай ферментаторлардың сыйымдылығы 25, 49, 63 және 200 м³ арналған түрлері бар.

Микробиологиялық өндірістерде, сұйық парафинде ашытқыларды өсіруде, арнайы сору қабілетті араластырғышы бар ферментатор пайдаланылады. Оның сыйымдылығы 800 м³ (жұмыс сыйымдылығы 320 м³) және олар 12 секцияға бөлінген. Ферментациялық орта осы секциялардың барлығынан кезеңмен өткізіліп, ең соңғысында құрамында парафин мөлшері аз, ал биомассаға өте байболып келетін культуралды сұйықтығы алынады.