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 80­150 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 восстановленно- сти, 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). 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 3.4

Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для пе­ремешивания

Ферментаторы с подводом энергии к газовой фазе (см. рис. 3.7). 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.

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 (см. рис. 3.8) 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, дисперга- тор). Данные аппараты также можно подразделить на ряд типов.

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.

а — барботажный: 1-корпус, 2-воздухораспределитель, 3- карман, 4-коллектор; б — барботажно-колонный:

1- корпус, 2-рубашка, 3- воздухораспределитель;

в - барботажно-эрлифт- ный: 1-корпус, 2-диффузор- теплообменник, 3-воздухо- распределитель; г — газлифтный: 1-корпус,

2- диффузор, 3-диспергатор, 4-воздухораспределитель, 5- теплообменник;

д — трубчатый: 1-пеногаси- тель, 2-емкость, 3-трубы, 4- корпус, 5-распределительная перегородка;

е — с плавающей насадкой:

1-рубашка, 2-тарелка, 3- насадка, 4-корпус

Рис. 3.7. Ферментаторы с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ)

Рис. 3.8. Ферментаторы с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ)

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 биоло­
гических агентов, повышенные требования к асептике, лимитация сре- зовых условий при перемешивании и др.