Меню Закрыть

Требования для ферментеров

Устройство и основные конструкторские детали ферментеров и биореакторов. — Объекты биотехнологии и их промышленное использование

Любые студенческие работы — ДОРОГО!

100 р бонус за первый заказ

Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор — ферментер. Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта. Биореакторы изготовливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия. В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование

Обычно ферментер изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов.Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. Ферментеры снабжены паровой рубащкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными фильтрами,отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена).

Ферментеры и биореакторы

Основная ферментация
Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду посевного материала и до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта [49]. По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.

Технологические особенности процессов ферментации
По технологическому оформлению различают следующие микробиологические процессы: аэробное и анаэробное культивирование; твердофазное, поверхностное и глубинное культивирование; периодическое и непрерывное культивирование.
Аэробное культивирование — аэрация среды — непременное условие в тех микробиологических процессах, в которых используются аэробные микроорганизмы-продуценты.
Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от окисляемого источника углерода и от физиологических свойств и активности роста микроорганизмов. Для биосинтеза 1 кг дрожжевой биомассы необходимо, например, 0,74–2,6 кг молекулярного кислорода. При интенсивном потреблении субстрата независимо от источника углерода продуцент ассимилирует 0,83–4,0 мг кислорода/1 л среды/мин.
Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов (табл. 1). При давлении 0,1 МПа и температуре 30°С в 1 л дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,5 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода колеблется в интервале 2–5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5–2 мин.
При глубинном культивировании запасы кислорода в питательной среде возобновляются при подаче аэрирующего воздуха. Скорость абсорбции кислорода увеличивается с ростом интенсивности перемешивания среды (табл. 2).
Во время роста биомассы микроорганизмы обычно потребляют больше кислорода, чем во время сверхсинтеза целевого метаболита. Принято говорить о критической концентрации кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток. Для большинства аэробных микроорганизмов, растущих в сахаросодержащих субстратах, критическая концентрация кислорода 0,05–0,10 мг/л, что соответствует 3–8 % от полного насыщения среды кислородом. Лимитация роста и физиологической деятельности клеток наблюдается при более высоких концентрациях кислорода: на средах с глюкозой рост дрожжей лимитируется при рО2 на уровне 20–25 % от полного насыщения.
Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода 50–60 % от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов — 10–20 %.

Таблица 1.
Зависимость абсорбции кислорода в воде (мг/л) от концентрации диспергированных компонентов (20 °С)

Таблица 2.
Зависимость скорости абсорбции кислорода в воде от аэрации и перемешивания среды* (мг/(л • мин))

Анаэробные процессы биологического окисления у гетеротрофных микроорганизмов в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, делят на три группы: дыхание (акцептор — кислород); брожение (акцептор — органическое вещество) и анаэробное дыхание (акцептор — неорганическое вещество : нитраты, сульфаты и др.).
У облигатных анаэробов брожение является единственно возможным способом получения энергии; у факультативных анаэробов оно составляет обязательную первую стадию катаболизма глюкозы, за которой может следовать аэробное окисление образовавшихся продуктов, если в среде присутствует кислород.
Обособленной промежуточной группой являются аэротолерантные микроорганизмы, получающие необходимую для жизнедеятельности энергию в анаэробном процессе, т. е. на уровне субстратного фосфорилирования, и одновременно имеющие дыхательную цепь для поглощения кислорода среды и создания благоприятных анаэробных условий. Данный эффект носит название «эффекта дыхательной защиты».
Примерами облигатно анаэробных процессов являются маслянокислое и метановое брожения. Универсальным для всех микроорганизмов, за небольшими исключениями, является катаболизм глюкозы — гликолиз до образования пирувата:
Глюкоза + 2АТР + 2 NAD = 2 Пируват + 4АТР + 2NADH + 2Н +
Возбудители спиртового брожения (дрожжи) после декарбоксилирования пирувата и образования ацетальдегида восстанавливают ацетальдегид до этанола. Молочнокислые бактерии гомогенного молочнокислого брожения восстанавливают пируват до молочной кислоты. Гетероферментативные молочнокислые бактерии сбраживают глюкозу по несколько отличающемуся пентозофосфатному пути с образованием молочной кислоты, а также уксусной кислоты, этанола и диоксида углерода.
Анаэробные условия на производстве создают герметизацией аппаратуры, продуванием среды инертными газами, в том числе газообразными продуктами, образовавшимися во время ферментации. Отсутствие необходимости аэрации среды несколько упрощает при анаэробной ферментации конструкцию биореактора и облегчает управление процессом.
Твердофазную ферментацию обычно реализуют в твердой, сыпучей или пастообразной среде, влажность которой составляет 30–80 %.
Различают три типа твердофазных процессов:
• поверхностные процессы: слой субстрата, например соломы, не превышает 3–7 см («тонкий слой»); роль биореактора выполняют большие, площадью до нескольких квадратных метров, подносы из алюминия или культивационные камеры);
• глубинные твердофазные процессы в неперемешиваемом слое («высокий слой»): биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конъюктивный газообмен;
• твердофазные процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, которая может быть гомогенной или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости.

Если субстрат сыпучий, то отдельные твердые частицы его хорошо контактируют с воздухом, рост микроорганизмов в этом случае происходит главным образом на поверхности твердых частиц, а также в порах, заполненных либо водой, либо воздухом. Обеспечение микроорганизмов кислородом затрудняется с увеличением слоя субстрата. Перемешивание слоя не допускается, если культивируются мицелиальные микроорганизмы, например микромицеты, и из-за отсутствия перемешивания рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации, поэтому часто возникает локальная нехватка питательных веществ. Другая проблема при твердофазной ферментации — отвод теплоты и поддержание постоянной температуры во всей ферментационной среде.
Однако твердофазные процессы имеют и преимущества по сравнению с процессами, протекающими в жидкой среде:
• они требуют меньших затрат на ферментер лабораторный и другое оборудование,а так же их эксплуатацию;
• характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;
• низкое содержание воды в субстрате препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;
• твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду большого количества сточных вод.

Управляемый процесс твердофазной ферментации в промышленных условиях осуществлен при производстве ферментов с использованием микромицетов. Сыпучий субстрат с культурой инкубируют в тонком слое (3–7 см) в кюветах, размещенных в камерах, где поддерживают оптимальные температуру и влажность воздуха, обеспечивают принудительную циркуляцию газовой фазы вдоль поверхности ферментируемого субстрата. Воздух в данном случае является и аэрирующим, и теплоотводящим агентом.
Более толстый слой гранулированного крахмалсодержащего субстрата используют для протеинизации (до 20 %) корма при помощи Asp. niger. В данном случае применяют неинтенсивное перемешивание среды.
Поверхностная ферментация на жидких субстратах реализуется в кюветах со средой, помещенных в вентилированные воздухом камеры. Культура микроорганизмов при этом образует биомассу в виде пленки или твердого слоя на поверхности жидкой среды. Культура потребляет кислород непосредственно из газовой фазы — воздуха. Массообмен в таких условиях малоинтенсивный.
Глубинное культивирование микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды, содержащей растворенный субстрат. Ферментер должен обеспечивать рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы, подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов, отвод от микробных клеток продуктов их обмена веществ (метаболизма), отвод из среды выделяемого клетками тепла.
Глубинное культивирование можно осуществлять периодическим и непрерывным способами.
Периодическое культивирование. При периодическом способе культивировании в ферментер загружают сразу весь объем питательной среды и вносят посевной материал. Выращивание микроорганизмов проводят в оптимальных условиях в течение определенного времени, после чего процесс останавливают, сливают содержимое ферментера и выделяют целевой продукт.
Этап роста культуры включает: лаг-фазу, экспоненциальную фазу, фазу замедления роста, стационарную фазу, фазу отмирания.
Широко применяют периодическое культивирование с подпиткой. Существует также объемно-доливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентного объема среды (полунепрерывное культивирование).
Непрерывные процессы. При непрерывном способе питательная среда непрерывно подается в биореактор, в котором создают оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из биореактора также непрерывно вытекает культуральная жидкость вместе с микроорганизмами.
В непрерывных процессах биообъект поддерживается в экспоненциальной фазе роста. При этом существует равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.
Из непрерывных процессов лучше всего изучен метод глубинной ферментации. Процесс может быть гомогенно или гетерогенно-непрерывным.
При гомогенно-непрерывном процессе в аппарате, где идет интенсивное перемешивание, все параметры постоянны во времени.
При гетерогенно-непрерывном процессе несколько ферментеров соединены вместе. Питательная среда поступает в первый аппарат, готовая культуральная жидкость вытекает из последнего.
При непрерывном культивировании микроорганизмов необходимо предотвратить вымывание культуры из системы, т. е. обеспечить постоянную концентрацию клеток. В стерильных условиях непрерывный, проточный метод обеспечивает сохранение культуры в физиологически активном состоянии длительное время.
В зависимости от метода, благодаря которому культура поддерживается в состоянии динамического равновесия (когда ? = D), различают турбидостатный и хемостатный принципы.
При турбидостате скорость притока среды такова, что концентрация биомассы в системе постоянна; при хемостате в системе ограничивают рост культуры одним элементом питания (углерода, кислорода, соответствующего витамина и др.) при нелимитируемых количествах остальных. Известны также методы управления ростом проточной культуры по рН (рН-стат), по кислороду (оксистат).
В зависимости от цели производства — получение клеток или продуктов их жизнедеятельности — способы ведения основной ферментации различаются. Если процесс направлен на получение биомассы, то назначение ферментации — получить максимально возможный титр клеток, а в случае получения метаболитов их накопление осуществляют одновременно, причем максимумы образования продуцента и целевого продукта всегда сдвинуты по времени. Поэтому продолжительность ферментации в первом случае всегда меньше, чем во втором.
Если целью является получение биомассы промышленного штамма в периодическом процессе, то время культивирования не превышает 24 ч. При производстве первичных метаболитов время биосинтеза составляет 48–72 ч, а вторичных — 72–144 ч.
При культивировании различных микроорганизмов интервал рабочих температур варьирует в пределах 25–60°С, значения рН — 2?9, расход воздуха в аэробных процессах — 0,15–2,5 м3/1 м3 среды/мин.

Смотрите так же:  Договор передачи ребенка отцу

Конструкции ферментеров (биореакторов)
В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, или биореакторы.
Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. 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 спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище 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 конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача — обеспечение высокой интенсивности массо и энергообмена клеток со средой.
По структуре потоков биореакторы могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.
Конструктивные различия биореакторов определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:
• биореакторы с подводом энергии к газовой фазе;
• биореакторы с подводом энергии к жидкой фазе;
• биореакторы с комбинированным подводом энергии.

Биореакторы с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в биореактор под определенным давлением. К таким биореакторам относят:
• барботажные биореакторы, подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;
• аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;
• трубчатые биореакторы (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь таким образом циркуляции;
• биореакторы с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости;
• биореакторы колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

Биореакторы с подводом энергии к жидкой фазе. К таким аппаратам относят:
• аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;
• биореактор с турбоэжекторными перемешивающими устройствами — аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.

Биореакторы с комбинированным подводом энергии. В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Бореактор представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки.
Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.
Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.
Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды.
Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи», типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой).
Биореакторы обычно представляют собой герметические цилиндрические емкости, высота которых в 2–2,5 раза превышает диаметр. Чаще всего их изготовляют из нержавеющей стали. Для поддержания температуры в аппарате имеется двойной кожух или теплообменник типа змеевика.
Главное требование к аппаратам — сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем биореактора обычно не превышает 7/10 общего объема.
Тип биореактора для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой — скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью. Скорость перехода кислорода из газовой фазы в жидкую выражают через объемную скорость абсорбции. Изменение концентрации кислорода в жидкой фазе характеризуется уравнением
dC/dt = KLa (Cp – С),

где KLa — объемный коэффициент массопередачи на границе газ—жидкость; Сp — равновесная концентрация кислорода в среде; С — фактическая мгновенная концентрация кислорода в среде.
Основные факторы среды, определяющие рост и биосинтетическую активность продуцентов

Устройство и основные конструкторские детали ферментеров и биореакторов — Основы биотехнологии. Шпаргалки

Любые студенческие работы — ДОРОГО!

100 р бонус за первый заказ

Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта. Биореакторы изготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.
Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые — от 1 до 10 л , многотоннажные — более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия. Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена). В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования.

Конструкции ферментеров

Основное назначение ферментера состоит в том, чтобы обеспечить оптимальные условия для развития инокулята и образования целевого продукта. Если рассматривать общее устройство данного аппарата, то он, как правило, выглядит в виде вертикального стального цилиндра с полукруглым дном. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора. В верхней части находится крышка с отверстиями для ввода питательной среды, а из нижней сливается культуральная жидкость. Конструкция аппарата позволяет создать наилучшие условия для производства: он оснащен мешалками, трубками для подачи и вывода воздуха, приспособлениями, обеспечивающими равномерность концентрации растворимых веществ и коллоидных частиц в среде (рис.3). Главное требование к аппаратам — сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем ферментера (биореактора) обычно не превышает 7/10 общего объема.

Рис. 3. Устройство ферментера

Конструкции ферментеров (биореакторов)

В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, или биореакторы.

Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. 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 спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.

Смотрите так же:  Приложение 3 заявление о выдаче вида на жительство 1

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 конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача — обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой.

По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.

Конструктивные различия ферментеров определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:

• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе;

• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе;

• ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. К таким ферментерам (биореакторам) относят:

• барботажные ферментеры, подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;

• аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;

• трубчатые ферментеры (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь таким образом циркуляции;

• ферментеры с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости;

• ферментеры колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

Ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе. К таким аппаратам относят:

• аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;

• ферментер с турбоэжекторными перемешивающими устройствами — аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.

Ферментеры с комбинированным подводом энергии. В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментер представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки.

Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.

Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.

Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды.

Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи», типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой).

Тип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой — скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью.

Дата добавления: 2017-06-13 ; просмотров: 2458 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Требования для ферментеров

Благодаря обширному опыту с микробными техниками производства компания Фогельбуш знакома с разными требованиями проектирования биореакторов. Помимо специальных систем аэрации Фогельбуш также может компетентно выбрать надлежащие составляющие и испытанные ноу-хау для стабильной и долгосрочной работы ферментеров .

Фогельбуш занимается разработкой всего проекта, от замысла до полного исполнения. Мы разрабатываем структуру процесса на основании результатов из лаборатории заказчика или пилотной установки .

Выбираем подходящую систему ферментации для наилучшего соответствия конкретным технологическим требованиям .

Фогельбуш также предлагает технические решения по смежным процессам, например, по подготовке сред, последующей обработке продукта и вспомогательным системам .

Мы специализируемся на расширении биотехнологических процессов для наших заказчиков и осуществляем проекты на основе результатов нашей собственной лаборатории или лаборатории/опытно-промышленной установки заказчика. Исходя из конкретных технологических требований выбираем надлежащую систему ферментации и схемы последующей обработки продукта .

Для строительства комплексов мы

  • определяем подробные спецификации на технологическое и вспомогательное оборудование, а также предоставляем эксплуатационные требования и требования к утилитам;
  • поставляем ключевое оборудование либо обеспечиваем поставку «под ключ»;
  • обеспечиваем надзор за сборкой и выполнением;
  • обучаем персонал.

Существует множество технологических процессов и аппаратных решений, подходящих для Вашего конкретного применения, включая

  • аэробные и анаэробные,
  • стерильные и нестерильные,
  • периодические и непрерывные,

а также с одним ферментером или с каскадом ферментеров.

Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик система ферментации подбирается с учетом технологических параметров (перенос кислорода и питательных веществ, температура, значение pH и т.д.) и чувствительности к механическим воздействиям .

Кроме того, следует учитывать особые технологические требования, например, концентрацию растворенного кислорода, стерильность, допустимые отклонения от концентрации или масштабы производства. Мы контролируем общую экономику завода, включая инвестиционные и операционные затраты .

ЛАБОРАТОРНЫЕ ФЕРМЕНТАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Лабораторные ферментеры для культивирования микроорганизмов и ферментационные установки, оснащенные оборудованием, датчиками, контроллерами, находят в настоящее время широкое применение в исследовательской и производственной работе микробиологических предприятий.

Основой расчета технологических и конструктивных параметров промышленных биореакторов являются экспериментальные данные, получаемые на лабораторных и пилотных ферментационных установках. Применение лабораторных ферментационных установок позволяет решать следующие задачи:

— Проведение микробиологических селекционных работ по отбору более эффективных штаммов в процессе их культивирования;

— Оперативный анализ влияния качества сырья, минеральных солей, воды и других факторов на показатели роста микроорганизмов;

— Изучение воздействия на метаболизм клеток и технологические показатели процесса ферментации различных стимулирующих добавок;

— Уточнение в производственных условиях оптимальных параметров процесса культивирования (температура, рН среды, уровень аэрации и перемешивания и т.д.);

— Изучение кинетических и стехиометрических зависимостей различных штаммов микроорганизмов;

— Исследование влияния внешних факторов на качественный состав биомассы и продуктов вторичного метаболизма клеток.

Решение указанных задач в научно-исследовательских лабораториях и оперативная выдача рекомендаций непосредственно на производство позволяет значительно улучшить использование крупногабаритного производственного оборудования, повысить технико-экономические показатели предприятия.

Основные требования, которым должны отвечать лабораторные ферментационные установки, можно условно разделить на следующие:

— Требования к конструкции;

— Требования к технологической схеме, обеспечивающей возможность проведения заданного технологического режима и варьирование параметров процесса;

— Требования к измерительной и регулирующей части схемы.

Основой такой установки является биореактор-ферментер. Для лабораторных установок применяют аппараты объемом от 2 до 100 литров, преимущественно это ферментеры объемом 10 – 20 литров. Пилотные установки используют в основном ферментеры объемом 0,1 – 0,2 м 3 , при этом энергетические затраты на процесс ферментации не являются определяющим фактором при выборе типа и конструкции ферментера. Особенности используемого сырья, состава и физико-химических свойств сред, а также применяемых культур (например, наличие гиф у мицелиальных грибов) приводят к необходимости выбора ферментеров с альтернативными способами перемешивания и аэрации, но решаются такие задачи сравнительно просто. Поэтому могут быть использованы ферментеры различного типа, обеспечивающие необходимые требования по массопередаче кислорода, отсутствие застойных зон, а в ряде случаев «мягкое» гидродинамическое воздействие на клетки.

Технологическая схема обвязки ферментера предусматривает подачу в процесс необходимых компонентов питательной среды (соли, субстрат, вода), титрующего агента, аэрирующего газа и отбор суспензии на анализ. Особую проблему для целого ряда процессов микробиологического синтеза представляет задача создания и поддержания стерильных условий в процессе ферментации. Однако наибольшее распространение на практике получили ферментеры с механическим перемешиванием и барботажной аэрацией среды, обеспечивающее в объеме до 1000 л возможность широкого варьирования режима перемешивания и аэрации среды, а значит и показателей массопередачи. При этом сложность состоит в поддержании асептических условий. Наличие перемешивающих устройств с сальниковыми и торцевыми уплотнениями затрудняет решение этой задачи. В связи с этим более эффективно для стерильности применять аппараты с барботажем, например, колонного типа.

Другим специфичным вопросом является интенсивное пенообразование, сопровождающее процесс ферментации. В лабораторных установках наиболее часто используется принцип механического пеногашения, что позволяет не изменять физико-химические свойства среды, а следовательно, не влиять на кинетические и диффузионные процессы в ферментере.

Смотрите так же:  Договор поставки поставщик физическое лицо

Конструкционные особенности различных лабораторных установок связаны со спецификой процессов культивирования дрожжей, продуцентов антибиотиков, мицелиальных культур, микроводорослей, тканевых культур.

Особое место среди исследовательских ферментационных аппаратов занимают мембранные ферментеры.

На сегодняшний день мембранный биореактор является достаточно простым в техническом исполнении и перспективным с точки зрения расширения возможностей исследования и управления процессом ферментации, в котором развитие популяции происходит в постоянно обновляемой среде.

Это обновление осуществляется за счет постоянной подпитки субстратом и постоянного удаления метаболитов через полупроницаемую мембрану. В зависимости от типа мембраны различают три режима работы мембранных биореакторов: режим диализа, режим ультрафильтрации и режим микрофильтрации.

Сегодня уже накоплен достаточный опыт исследований и испытаний мембранных реакторов, который доказывает их перспективность. Однако исследования в этом новом для биотехнологии направлении пока не доведены до промышленных масштабов.

Существует две основные схемы мембранных биореакторов: со встроенной и вынесенной мембраной. Биореакторы со встроенной мембраной обычно представляют собой реакторы трубчатого типа, в которых поддерживают режим идеального вытеснения. Например, при ферментативном биосинтезе, субстрат с постоянным расходом, пропорциональным выходу продукта, подают в систему. Фермент, фактически иммобилизируется на мембране, которая свободно пропускает продукты реакции. В случае снижения активности катализатора в систему добавляют его новую порцию для поддержания скорости реакции на необходимом уровне. Степень задерживания мембраной фермента должна быть максимально высокой.

Установка с вынесенным мембранным аппаратом, в котором обычно поддерживают режим идеального смешения. Для таких реакторов характерно гомогенное распределение как катализатора, так и реагентов. Он работает при выходных концентрациях субстрата и продуктов и его продуктивность (производительность на единицу массы фермента) постоянна во времени.

Аппараты первого типа обычно трубчатые и концентрация субстрата в них уменьшается по длине реактора, а его продуктивность выше, так как он работает при более высоких концентрациях субстрата. Поэтому при необходимости получения максимальной конверсии субстрата процесс надо проводить в трубчатых реакторах идеального вытеснения. Повысить эффективность работы аппарата можно в каскаде мембранных реакторов:

1. С выводом продукта после каждого мембранного элемента;

2. С выводом продукта после конечного разделения;

3. С рециркуляцией на каждом мембранном элементе и общим выводом продукта.

Второй вариант каскада легко трансформируется в установку с одним трубчатым реактором. При тех же показателях уменьшается количество единиц оборудования, движущихся деталей, снижаются капитальные и текущие расходы, энергозатраты, облегчается обслуживание установки.

Важнейшим фактором с точки зрения работы трубчатого реактора является исключение в нем обратного перемешивания. Как известно, при низких скоростях реакционная среда в трубчатых реакторах движется как идеальный поршневой поток, поскольку отсутствует конвекционный перенос. Для выравнивания радиального концентрационного профиля используют различные турбулизирующие вставки. При хорошей организации работы один метр длины реактора может быть эквивалентен 5 – 40 смесительным ячейкам в зависимости от диаметра трубы.

В третьем случае каждый мембранный аппарат имеет циркуляционный контур, а конечный продукт собирается из всех параллельных аппаратов. В этом случае гораздо менее остро стоит проблема предварительной очистки потока субстрата от мелких механических примесей, которые не осаждаются на мембранах благодаря возможности создания в циркуляционных контурах любой требуемой гидродинамической обстановки. Возможна последующая регенерация фермента и субстрата. Такая схема весьма перспективна и в случае работы с высокомолекулярными субстратами, которые вместе с ферментом задерживаются мембраной. Поскольку контроль скорости конверсии субстрата затруднен, то в любой другой схеме сложно осуществить точную дозировку субстрата, которая не позволяла бы ему накапливаться в системе, но и не лимитировала бы скорость образования продукта.

Более прогрессивным решением является совмещение реактора и разделительной ячейки в единый аппарат. Однако в трубчатом мембранном аппарате возникает противоречие между необходимостью предотвращения обратного перемешивания снижением скорости протекания жидкости и необходимостью устранения отрицательного влияния концентрационной поляризации повышением скорости протекания. Преодолеть это противоречие можно, если разорвать связь между скоростями потока и реагирования веществ, что достигается в каскадной схеме трубчатых мембранных реакторов с постадийной рециркуляцией.

Исследовательские лабораторные мембранные установки должны отвечать следующим условиям:

Полное задержание клеток в объеме реактора, если он работает в режиме хемостата;

Длительное проведение процесса культивирования без снижения объемного расхода пермеата;

Возможность контролирования и поддержания постоянного объема среды;

Возможность регенерации и стерилизации мембран.

Как уже говорилось, все конструкции мембранных реакторов разделяют на аппараты с встроенной и выносной мембраной. Аппараты второй группы наиболее перспективны для промышленного использования, поскольку в них возможно применять промышленные мембранные модули известных конструкций с минимальными переделками, совмещенные со стандартными ферментерами. Преимуществом этой группы также является возможность развивать рабочую поверхность мембран до любой необходимой величины, а также создавать в контуре любой необходимый гидродинамический режим. Однако для исследовательских целей использовать аппараты второй группы нецелесообразно, поскольку во время нахождения среды в выносном контуре управлять процессом культивирования практически невозможно.

Мембранные аппараты первой группы можно рассмотреть на примере реакторов, разработанных в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Это ферментеры «Елен-5», «Елен-6», «Елен-7», «Елен-9».

«Елен-5» и «Елен-6» снабжены мембраной, расположенной на нижнем фланце. Все необходимы датчики вводятся через штуцеры на верхнем фланце. Аэрация осуществляется через пористый барботер, к которому прикреплена магнитная мешалка, не касающаяся мембраны. Термостатирование осуществляется через погруженные змеевики. Ферментер «Елен-6» выполнен в виде конической камеры для увеличения удельной (на единицу объема среды) поверхности мембраны.

Ферментер Виестура объемом 5 литров позволяет более интенсивно перемешивать среду. Датчики вводятся через штуцеры на стенке нижнего стакана, мембрана выполнена в форме кольца. Ферментер снабжен термостатирующим устройством и механическим пеногасителем. Предусмотрена регенерация мембраны обратной продувкой сжатым воздухом. Основной недостаток конструкции – очень низкая удельная поверхность мембраны, поэтому ферментер рекомендовано использовать для работы в режиме микрофильтрации.

Принципиально иное решение предложено в ферментере Маргаритиса. Мембрана в этом аппарате расположена на вращающемся роторе, соединенном с нижним приводом. Это позволяет длительное время поддерживать удельную поверхность мембраны на высоком уровне. В объеме ферментера создается избыточное давление, достаточное для осуществления мембранного процесса. Ферментер должен быть снабжен внешним рециркуляционным контуром. Датчики расположены на стенках корпуса, для подачи воздуха используется кольцевой барботер. Недостатками аппарата являются низкая удельная производительность мембраны, плохое перемешивание среды и сложность конструкции. В значительной степени выше перечисленные недостатки устранены в аппаратах «Елен-7» и «Елен-9». В каждом из них высокая удельная поверхность мембраны и обеспечено интенсивное перемешивание среды.

Вращение мембранного элемента в аппарате «Елен-9» позволяет длительное время сохранять удельную производительность мембраны. Оба аппарата снабжены комплектом измерительной аппаратуры и системой термостатирования. Отвод пермеата из внутреннего перфорированного стакана осуществляется по трубке, опущенной до его дна. Аэрирующий воздух подается через кольцевой барботер. Мешалка на первом аппарате используется магнитная, во втором – турбинная, закрепленная на роторе.

Тип выбранной мембраны осуществляется способом культивирования. Для режима диализа используют обычные диализные мембраны из регенерируемой целлюлозы, которые хорошо задерживают высокомолекулярные соединения – ферменты, токсины, но пропускают сахара и соли. Для диализа можно использовать микропористые мембраны с размером пор до 25 нм. Их изготавливают из ацетата целлюлозы, керамики, пористого металла и стекла, асбеста. Наконец, в режиме диализа можно использовать чисто диффузионные непористые мембраны из силиконовой резины или тефлона.

Для режима ультрафильтрации используют выпускаемые промышленные мембраны из ацетата целлюлозы, полиамида, полисульфонамида и этилцеллюлозы. Для режима микрофильтрации можно применять серийные отечественные мембраны из нитрата целлюлозы, поливинилхлорида, фторопласта, поликарбоната.

При выборе материала мембраны следует учитывать прежде всего эго совместимость с культурой-продуцентом, поскольку сам материал может быть субстратом. Важным обстоятельством является отсутствие ингибирующих веществ в материале мембраны. Резко ограничивает выбор мембран их способность сохранять свои свойства после неоднократной термической или химической стерилизации. Необходимо так же принимать в расчет механическую прочность и удельную производительность мембран. В любом случае следует провести экспериментальное культивирование на малых объемах с мембраной и в ее отсутствии.

Принципиально иным использованием мембранной техники и процесса микробиологического синтеза является иммобилизация клеток в пористых мембранах, прежде всего в пористых волокнах. Метод заключается в абсорбционном связывании клеток продуцента в порах анизотропных полых волокон и прокачивании через волокна питательной смеси. За время прохождения субстрата вдоль волокна происходит его микробиологическая трансформация и с другой стороны выводится поток, обогащенный продуктом. Подача кислорода осуществляется путем предварительного насыщения питательной среды.

Разновидностями метода являются подача субстрата с наружной стороны волокон, проникновение его через поры в каналы и отвод из них продукта. Кислород при этом может подаваться импульсами внутрь пучка волокон. Возможен также отвод продуктов с наружной стороны волокон после из проникновения через мембрану, если молекулярная масса продуктов значительно меньше, чем у субстрата.

ВОПРОС №2. ЛАБОРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ «ФЕРМЕНТЕР – КОНТРОЛЛЕР»

Конструктивные особенности лабораторных установок, характеризующие надежность проведения процесса и удобство варьирования основных технологических параметров, являются скорее необходимым требованием, чем достаточным. Требования, предъявляемые к исследовательским ферментационным установкам, заключаются в наличии системы сбора данных о процессе и ее переработки с целью контроля и управления ферментацией. Таким образом, оснащенность ферментеров датчиками, автоматическими пробоотборниками, локальными контурами управления параметрами процесса, а также связью с управляющими контроллерами является тем критерием, по которому целесообразно оценивать совершенство лабораторных ферментационных установок. Такая информационная оснащенность установок позволяет с большой достоверностью и в более короткие сроки получать необходимые экспериментальные данные для различных математических моделей, расчета производственных биореакторов и прогнозирования технологических режимов ферментации в них.

Таким образом, отвечающая рассмотренным выше требованиям лабораторная установка должна иметь в качестве одного из основных — блок измерения, регулирования и управления параметрами процесса.