біореактори (ферментатори )

Біологія

Білоруський Державний Університет

Біологічний факультет

біореактори

Реферат

студента 2-го курсу

Бабіцкого Мирослава

Мінськ 2003 г.

Біореактори (ферментатори) складають основу біотехнологічноговиробництва. Маса апаратів, що використовуються, наприклад, в мікробноїбіотехнології, різна, і вимоги тут визначаються здебільшогоекономічними міркуваннями. Стосовно до ферментаторах розрізняютьтакі типи їх: лабораторні місткістю 0,5-100 л, пілотні ємністю
100л-10 м3, промислові ємністю 10-100 м3 і більше.
При масштабування домагаються відповідності найважливіших характеристикпроцесу, а не збереження принципу конструкції.
Застосована в біотехнології обладнання повинен вносити певну часткуестетичності в інтер'єр цеху або відділення ( "пестити око"). У ході йогоексплуатації і поза її обладнання повинно бути легко доступним,містяться і що функціонує в певних рамках вимог гігієни ісанітарії.
У разі заміни будь-яких частин або деталей в апараті, оливи та чищеннявузлів при поточному ремонті, і т. д., забруднення не повинні потрапляти всерединубіореакторів, в матеріальні потокові комунікаційні лінії, в кінцевіпродукти.
Технічну озброєність біотехнологічних процесів доцільноумовно обмежити апаратурним оформленням виробництв, що базуються накультивуванні: 1) бактерій і грибів, 2) клітин і тканин рослин, 3)клітин і тканин організмів тварин і людини. Такий підрозділобумовлено тим, що бактерії і гриби в більшості своїй вирощують уоднотипних біореакторах, що мають майже однотипну обв'язку, в якувходять: ферментатор, багатокорпусні вентиль стерильний (для подачіживильного середовища, посівного матеріалу, підживлення тощо), системирегулювання рН, 1 °, подачі іеногасітеля, система контролю витратповітря, пробовідбірником, електродвигун.
Рослинні клітини, що мають клітинну стінку (також як бактерії та гриби)ростуть, розмножуються і розвиваються значно довше, ніж більшістьбактерій і грибів, а це вносить певні корективи в апаратурнеоформлення відповідних біотехнологічних процесів.
Культури клітин тварин і людини, що не мають клітинних стінок, єбільше ранимими і вимогливими до умов свого існування, ніжклітини інших еукаріотів та прокаріотів. Тому обладнання для них можнавіднести до розряду "тихохідного", що забезпечує ніжне поводження збіооб'єктами.
Поза сумнівом, в окремих випадках допустимі винятки, наприклад, колиможливо культивування в глибинних умовах деяких рослинних клітин
(суспензійний культура женьшеню), використовуючи ферментаційне обладнання,розраховане на вирощування, наприклад, бактерій або грибів.
К. Шюгерль в 1982 р. запропонував розділити біореактори на 3 основнігрупи відповідно до способу споживання енергії для перемішування ідиспергирування г стерильного повітря (газу):
- в біореакторах I типу енергія витрачається на механічнерух внутрішніх пристроїв;
- в біореакторах II типу енергія витрачається на роботузовнішнього насоса, що забезпечує рециркуляцію рідинита/або газу;
- В біореакторах III типу енергія витрачається на стиск і подачу газу вкультурал'ную рідина.

біореактори для аеробних процесів: з витратою енергії на механічнерух внутрішніх пристроїв а - 1, 2. 3; з витратою енергії на роботунасоса, що забезпечує рециркуляцію культуральної рідини б - 4; звитратою енергії на стиск і подачу газової фази в - 5 (г - газ. ж - рідкафаза, д - двигун).

Людина з найдавніших часів емпірично застосовував дріжджові організми впримітивних за апаратурним оформлення біотехнологічних процесах
(хлібопечення, виноробство та ін.) Розвиток промисловості антибіотиківпросунуло далеко вперед проблему створення спеціальної апаратури длякультивування мікробів - продуцентів БАР (амінокислот, антибіотиків,полісахаридів, вітамінів, ферментів та інших сполук). Були запропонованірізного типу біореактори для вирощування мікроорганізмів, проте всіконструкції ферментатор (ферментера) залишалися в основному подібними побільшості параметрів і, усереднено, їх можна розділити на 2 типи: безпідведення стерильного повітря (для анаеробів) і з підведенням його (дляаеробів). Аеріруемие біореактори можуть бути з мішалками і без них.

ферментатор періодичної дії (1 - турбіна трсхярусная мішалка, 2 --охолоджує змійовик. 3 - секційне сорочка. 4 - відбивна перегородка.
5 - барботер. П-пар); I-XI - матеріальні та допоміжні трубопроводи ззапірно-регулюючими пристроями (I - посівна лінія. I-подачастерильного стисненого повітря. III - подача пара, IV - видалення відпрацьованогоповітря. V - завантажувальна лінія, VI - лінія введення добавок, VII подачапеногасітсля, VIII - подача миючого розчину. IX - пробовідбірником. X-видачапродукту, XI - видача в каналізацію через нижній спуск).

В останні роки апробовані мембранні біореактори, біореактори з порожнімиволокнами і деякі інші.
При розрахунку і конструюванні біореакторів необхідно враховувати часпротікання різних біологічних процесів у представників різнихгруп організмів.

Деякі технічні характеристики промислового біореактора в порівнянніз пілотним і лабораторним наведені в таблиці:

| Характеристика | Показники для апаратів |
| | Промислового на | пілотного на 150 | лабораторного на |
| | 100 м3 | л | 10 л |
| Внутрішній | 3600 | 420 | |
| діаметр, мм | | | |
| Висота, мм | 15715 | 1140 | |
| Робочий об'єм, л | 1 | 100 | 2-6 |
| Діаметр турбін, | 900 | 140 | |
| мм | | | |
| Число турбін | 1-2 (діаметр | 3 | 2 |
| | Робочого колеса | | |
| | 960 мм) | | |
| Число відбійників | 4 | 4 | ± |
| Частота обертання | 173 | 125-990 | 200-1500 |
| валу мішалки, | | | |
| об/хв | | | |
| Потужність | | | |
| електродвигуна | | | |
| мішалки, кВт | 160 | 2,2 | Не більше 2 |
| Потужність | | | |
| електродвигуна | | | |
| піногасники, кВт | 4 | 0,73 | |
| Максимальна | | | |
| кількість | | | |
| відпрацьованого | | | |
| піногасники | | | |
| газу. | | | |
| м3/хв | 100-110 | 0,3 | |
| Частота обертання | | | |
| вала | | | |
| піногасники. | 725 | 3000 | |
| об/хв | | | |

З використанням зазначених вище класифікацій вдається розробити єдиніметоди інженерних розрахунків основних конструктивних елементів і режимівроботи ферментатор.
Ферментатори зазначених трьох груп мають велику кількість спільних елементів.
Різниця ж полягає в конструкціях аерується і пристроями, що перемішують.
Прикладом конструктивного оформлення ферментатор групи ФГ може бутиапарат з ерліфтом місткістю 63 м3. В апараті відсутній механічнеперемішування, тому простіше підтримувати асептичні умови. Повітря дляаерації середовища подасться по трубі, розташованій вертикально в ферментаторі.
Аератор, конструкція якого забезпечує вихровий рух виходитьповітря, розташований в нижній частині дифузора і насичує живильне середовищеповітрям. Газорідинна суміш піднімається по дифузору і перемішуєтьсячерез його верхні краї. У цій же зоні частина повітря йде з апарату, ібільш щільна середу опускається вниз у кільцевому просторі між корпусомферментатор і дифузором. Так відбувається багаторазова циркуляція середовища вферментаторі. Для відводу біологічного тепла всередині ферментаторвстановлений змійовик, а також апарат оснащений секційної сорочкою.
Недоліком цих апаратів є низька інтенсивність массообмсна покисню. Відомі ферментатори цього типу об'ємом 25, 49, 63 та 200м3.

ферментатор з ерліфтом: 1 - штуцер для зливу, 2 - аератор, 3 - змійовик, 4 --штуцер для завантаження. 5 - люк, 6 - корпус апарата, 7 - дифузор, 8 --сорочка, 9 - труба передавлювання.

Широке поширення у виробництві кормового білка отрималиферментатори з самовсмоктуючий мішалками (рис. 91). Це ферментатори згрупи ФЖ. Для вирощування чистої культури дріжджів створені ферментаторимісткістю 0.32, 3.2 та 50 м3. Ферментатор являє собою вертикальнийциліндричний апарат, забезпечений циркуляційними, теплообмінними іаерується пристроями. В якості циркуляційних пристроїв використанісистеми направляючих дифузорів, що розмежовують висхідні та низхідніпотоки. Теплообмінні пристрої виконані у вигляді трубок, встановлених утрубних гратах дифузорів.

ферментатор з самовсмоктуючий мішалкою безперервної дії: 1 - корпус,
2 - дифузор, 3 - самовсасывающая мішалка. 4 - теплообмінник, 5 - фільтр.

На підприємствах мікробіологічної промисловості при вирощуванні дріжджів усередовищах з рідкими парафін також застосовують ферментатори з самовсмоктуючиймішалками безперервної дії. Ємність його 800 м3 (робочий об'єм 320 м3)поділена на 12 секцій. Ферментаційних середу послідовно проходить всісекції, і з останньої виходить культурал'пая рідина з мінімальнимзмістом н-парафінів і максимальною концентрацією біомаси. У кожнійсекції встановлено щоперемішує і аерується пристрій і змійовики длявідводу тепла. Ферментатори періодичної дії з груп ФЖГ застосовують з
1944 р. упромисловості для отримання антибіотиків, вітамінів та інших біологічноактивних речовин (див. рис. 88). Його конструкція забезпечує стерильністьферментації протягом тривалого часу (кількох діб) приоптимальних умов для росту і життєдіяльності продуцента. Ферментаторитакої конструкції виготовляють на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3;
10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 і 160,0 м3. Як видно з малюнка,це циліндричний вертикальний апарат зі сферичним днищем, забезпеченийаерується, перемішуючим і теплопередаючих пристроями. Повітря дляаерації надходить у ферментатор через барботер, встановлений під нижнімярусом мішалки. З точки зору ефективності диспергирування повітряконструкція барботер принципової ролі не грає за наявності мішалки,однак, з точки зору експлуатації, найбільш зручним є квадратнийбарботер, який отримав найбільше поширення. Отвори в барботернаправлені вниз, щоб уникнути засмічення біооб'єктами. Загальна площаотворів повинна бути на 25% більше площі поперечного перерізутрубопроводу, що підводить повітря. Барботер за своїми розмірами повиненвідповідати діаметру мішалки, щоб що виходить з нього повітря потрапляв узону її дії.
Ефективність роботи ферментатор визначається насамперед необхідноїінтенсивністю перемішування. Пристроями, що перемішують служать длязбереження рівномірного температурного поля по всьому обсязі апарата,своєчасного підведення продуктів харчування до клітин і відводу від нихпродуктів метаболізму, а також інтенсифікації массопередачі кисню. Длястворення в ферментаторі умов "повного відображення", щоб уникнутиосвіти обертального контуру, який різко знижує інтенсивністьперемішування, в апараті встановлюють відбивні перегородки
(відбійники). Ширина їх складає (0,1-0,12) dM. Зазвичай рекомендуютьвстановлювати 4 відбивних перегородки, кілька відступаючи від стінокферментатор.
Важливим елементом в конструкції ферментатор є теплообмінніпристрою. Застосування високопродуктивних штамів біооб'єктів,концентрованих поживних середовищ, висока питома витрата потужності наперемішування - всі ці фактори позначаються на суттєвому зростаннітепловиділень, і для відводу тепла в ферментаторі встановлюють зовнішні івнутрішні теплообмінні пристрої. Промислові ферментатори, якправило, мають секційні сорочки, а всередині апарату - чотири змійовика.
Розробники апаратури в нашій країні і за кордоном постійновдосконалюють конструкції біореакторів. Так, наприклад, фірма New Brunswick
Scientific Co., Inc. (США) запропонувала такі типи ферментатор: Біо-Фло
III - для періодичного і безперервного культивування мікробних, тварині рослинних клітин, поєднаний з мікропроцесором і персональнимкомп'ютером; Мікрос I - для культивування мікроорганізмів (суміщений змікропроцесором) та промислові ферментатори місткістю від 40 до 4000 літріві більше (суміщені з мікропроцесорами). У Датської мультинаціональноїкомпанії Gist-Brocades в 1987 р. сконструйований і виготовлений найбільшийпромисловий ферментатор для виробництва пеніциліну (200 м3).