Аппараты биотехнологического производства: культивирование

Биореакторы. Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, метана, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы.

Принцип действия биореактора.

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

В механическом биореакторе перемешивание осуществляется механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой.

В аэрлифтном биореакторе перемешивание осуществляется за счёт продувки газа фазы через жидкость (барботажное перемешивание), что не всегда обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание и приводит к нежелательному пенообразованию.

В биореакторе газо-вихревого типа перемешивание осуществляется квазистационарным потоком с осевым противотоком, который создаётся аэрирующим газовым вихрем за счёт перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Газо-вихревой биореактор. Ускоренное развитие направления на создание новых лекарственных препаратов с использованием клеток млекопитающих и других чувствительных клеток диктует необходимость создания новых, эффективных аппаратов, обеспечивающих оптимальные условия микробиологического синтеза - биореакторов нового поколения. Назначением биореактора является создание наиболее оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нем клеток и микроорганизмов.

Это обеспечение:

1. хорошего массообмена по газовой фазе - дыхания,

2. питания – подвода питательных веществ,

3. отвода метаболитов

При этом клетки не должны подвергаться механическим, тепловым и другим стрессовым воздействиям.

Общеизвестны и применяются два способа перемешивания:

Первый способ - перемешивание механическим устройством находящимся в жидкой фазе, которое, вращаясь, заставляет двигаться жидкость (ложка в стакане чая).

Второй способ - перемешивание за счет продувки газовой фазы через жидкую (различные аэрлифтные и барботажные аппараты).

Недостатком биореакторов с механической мешалкой является то, что

- в процессе перемешивания образуются высоко турбулентные и застойные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам осуществляется неравномерно, - тоже происходит и с отводом метаболитов,

- поверхностный массообмен в аппарате по этой же причине недостаточен для многих культур клеток и микроорганизмов,

- культивируемые клетки и микроорганизмы гибнут из-за воздействия на них возникающих срезающих напряжений возле концов лопаток перемешивающего устройства.

В биореакторах с механической мешалкой почти 70% потребляемой мощности расходуется на преодоление сил сопротивления среды, при этом происходит переход механической энергии в тепловую т. е. избыточный вредный нагрев культуральной жидкости. Возникает необходимость отведения этого избыточного тепла, что требует дополнительных затрат. При этом энергия (температура) вносится по всему объему неравномерно, что отрицательно сказывается на результатах биотехнологических процессов, требующих работы в строго ограниченном интервале температур.

На концах лопаток перемешивающего устройства возникают микрозоны локальных перегревов, которые также губительны для клеток.

Аэрлифтные биореакторы имеют хороший массобмен по газовой фазе, но неинтенсивное перемешивание. Недостатками аэрлифтных биореакторов является то, что:

- из-за слабого перемешивания (т.е. подвода питания и отвода метаболитов) они не всегда пригодны для культур с активной жизнедеятельностью.

- всплывающие воздушные пузырьки при “схлопывании” губят или травмируют чувствительные клетки, например эмбриональные или клетки насекомых.

Кроме того, в биореакторах данного типа происходит обильное пенообразование, что не позволяет использовать весь объем аппарата, а применение химического пеногасителя снижает качество конечного продукта и приводит к удорожанию процесса. В аэрлифтных биореакторах невозможно использовать вязкие культуральные жидкости.

Большинство используемых в мире биореакторов представляют собой комбинацию этих двух типов аппаратов с вышеуказанными недостатками, проявляющимися в большей или меньшей мере в зависимости от конструкции аппарата.

Эти недостатки связаны с травмируемостью клеток, микроорганизмов при перемешивании, недостаточностью массообмена, наличием турбулентных и застойных зон, высоким энергопотреблением, низкими характеристиками при работе с вязкими средами. В газо-вихревом безградиентном биореакторе используется другой способ перемешивания.

Биореактор представляет собой термостатированную емкость, в которой газовая полость и культуральная среда разделяются свободно поверхностью культуральной среды. Объем заполнения может изменяться от 10 до 90% физического объема биореактора, в зависимости от технологических требований.

В газовой полости биореактора, над поверхностью культуральной среды создается интенсивный вихрь воздуха. Воздух вовлекает во вращательное движение культуральную среду, в которой формируется поле скорости с осевой компонентной.

Перемешивание культуральной среды в биореакторе осуществляется путем создания в жидкой среде трехмерного движения типа “вращающегося вихревого кольца” (квазистационарный поток с осевым противотоком). Движение генерируется аэрирующим газовым вихрем за счет перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Аэрирующий газовый вихрь формируется установленным над поверхностью среды центробежным активатором, и при помощи специального устройства проецируется в жидкую фазу.

В жидкости создается три вектора движения

а) в горизонтальной плоскости,

б) в вертикальной плоскости,

в) имеется радиальная составляющая.

Вследствие этого достигается мягкое, но весьма эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон:

Газо-вихревой биореактор имеет высокую скорость массообмена; - 6000-8000 (KL 1/ час). Работает, не меняя своих характеристик при заполнении на 10-90% объема, что позволяет при промышленном производстве убрать промежуточные «запускные» биореакторы.

Энергозатраты на перемешивание жидкости с вязкостью воды составляют всего- 0,3вт/л, что в 10-12 раз меньше, чем у биореакторов с механической мешалкой.

В газо-вихревом биореакторе 98% вносимой мощности используется непосредственно на перемешивание, энергия (температура) вводится по всему объему равномерно. В процессе перемешивания не образуется зон локального перегрева - микрозон с повышенной температурой.

Особенности закрученных потоков обеспечивают возможность перемешивания особо вязких жидкостей в газо-вихревом биореакторе. (выше 1,27 П). При совместных работах с институтом нефти и газа им. Губкина получены полисахариды с вязкостю 1,27 пуаз, это в 1270 раз вязче воды.

Газовый вихрь является эффективным пеногасителем.

Гидродинамика биореактора практически мало зависит от уровня жидкости в нем, биореактор легко масштабируется.

Указанные выше свойства газо-вихревого биореактора позволяют:

-культивировать клетки, плохо воспроизводимые в известных типах биореакторов;

-запускать однотипный биореактор большего объема при отношении его объема к малому биореактору, как 100:1 и устранить из технологической цепи биореакторы промежуточного объема;

-не использовать химический пеногаситель, существенно усложняющий и удорожающий дальнейший процесс очистки и получения конечного продукта;

-применять биореактор в процессах, использующих вязкие жидкости или получающих таковые в процессе микробиологического синтеза.

Литература:

Основная – 2 [74-81]; 4 [78- 85].

Дополнительная – 6 [191-201].

Контрольные вопросы:

1. Классификация биореакторов.

2. Принцип действия биореактора.

3. Газо-вихревой биореактор.

4. Промышленные ферментеры Bio P.

Лекция №5.