Класифікація ферментерів

Постійне розширення інформаційного кола про фізіологію біологічних агентів, прогрес у використанні рекомбінантних культур і клітинних гібридом висуває ряд вимог до конструкції ферментаційного обладнання.

Найбільш складною і відповідальною ділянкою біотехнологічного виробництва є стадія біосинтезу, основною метою якого є отримання максимальної кількості цільового продукту у межах генетично детермінованих властивостей біологічних агентів, за рахунок оптимізації факторів фонового штучно створеного оточуючого середовища. В умовах промислового виробництва продуктів біотехнології оточуюче середовище створюється в спеціальній апаратурі – ферментері (біологічному реакторі). В загальному вигляді ферментер виконує дві функції – здійснює транспортні, масообмінні процеси, а також функціонує як теплообмінник.

Основні фактори впливу, що визначають вибір ферментеру

При цьому температура не є визначним фактором, так як зміни температури припустимі у межах 0,5.

Базовою особливістю біотехнологічних процесів є їх висока індивідуальність стосовно базового етапу біосинтезу – стадії культивування.

Однією з суттєвих відмінностей біотехнологічних систем є те, що об’єктом вивчення, на відміну від біології (мікробіології) є не окрема клітина (чиста культура), а обов’язково популяція або суміш біологічних агентів. На відміну від мікробіології робота ведеться з об’єктом у вигляді системи, що зветься популяцією. Для популяції характерний ряд специфічних ознак:

- багаторівневість і це означає що ми маємо справу з об’єктом у вигляді складних скупчень асоціацій та систем нижчого рівня організації – конгломерати та ізольовані клітини.

В біотехнології вивчаються закономірності, які характерні для гетерогенних популяцій клітин, які існують в штучно створених умовах.

На сьогоднішній день відсутня узагальнена система вибору ферментаційного обладнання для ведення високо індивідуальних біотехнологічних процесів. Для вибору використовують власний досвід або досвід існуючих виробництв.

По сутності процесів, що протікають в ферментері він відноситься до біологічних систем, але конструктивне оформлення реалізується, як для звичайного хімічного реактора. Це реальне протиріччя може бути ліквідоване тоді, коли при виборі, проектуванні та оптимізації роботи ферментера конструктор буде виходити з фенотипічних ознак біологічних агентів.

Глибинне культивування біологічних агентів є найбільш поширеним способом, який використовується в біотехнології для отримання мікробних мас та біологічно активних речовин. Ферментери для глибинного культивування дозволяють найбільш ефективно створювати оптимальні умови в оточуючому біологічні агенти просто для реалізації їх потенціальних властивостей.

Вибір типового ферментеру, конструювання нового ферментаційного обладнання, модернізація відомих конструкцій можливе тільки в тому випадку, коли врахована специфіка технологічного процесу і фенотипічні ознаки біологічних агентів. Конструктивний розрахунок ферментеру, розрахунок гідродинамічних, масообмін них, теплообмінних характеристик, врахування умов диспергації фаз утворення потоків, рівень сегрегації поживного середовища можна реалізувати тільки для конкретних груп апаратів.

Для формування підходів до вибору ферментерів необхідно зазначити, що відправною позицією є визначення технологічних ознак етапу біосинтезу. Ці ознаки були визначені нами під час розробки систем класифікації стадії культивування БА.

Глибинне культивування біологічних агентів є найбільш поширеним способом, який використовується в біотехнології для отримання мікробних мас та біологічно активних речовин. Ферментери для глибинного культивування дозволяють найбільш ефективно створювати оптимальні умови в оточуючому біологічні агенти просто для реалізації їх потенціальних властивостей.

Серед базових вимог (обмежень), які потрібно враховувати при конструюванні або виборі типового ферментера необхідно виділити слідуючи:

- гідродинамічна обстановка в ферментері повинна забезпечити одночасну реалізацію масопереносу в двох-(поживне середовище – клітини біологічного агента, трьох- (газ – поживне середовище - клітини біологічного агента), і чьотирьохфазних (газ – поживне середовище – клітини біологічного агента – нерозчинний або слабо розчинний субстрат) системах;

- технологічне рішення стадії біосинтезу – періодичний процес, напівперіодичний або безперервний.

- продуктивність процесу (продуктивність виробництва - потужність) по цільовому продукту і в цьому випадку враховується вид цільового продукту – біомаса, метаболіт або їх композиція. Продуктивність процесу дозволяє визначити потрібний об’єм, тривалість циклу роботи. Умовно пропонується використовувати лабораторні місткістю 0,5—100 л, пілотні місткістю 100л—10 м³, промислові (для ведення робіт основного технологічного процесу) місткістю 10 — 100 м³ и більше.

- врахування можливого негативного впливу турбогіпобіозу (зрізових зусиль) на суспендовані клітини або на клітинні агломерати, які найбільш вразливі до зрізових зусиль, на клітини міцеліальних грибів, клітини тварин та клітини рослин;

- існування широкого спектру діапазонів швидкостей росту – час генерації знаходиться в діапазоні від десяти хвилин до декількох діб і це визначає доволі різноманітний діапазон терміну культивування під час якого потрібно підтримувати стабільні параметри оточення;

- високі вимоги до рівня асептики в процесі культивування (забезпечення асептики реалізується за рахунок проведення робіт ДР та надійність інженерного оформлення під час культивування);

- при культивуванні аеробних біологічних агентів єдиним економічно доцільним джерелом кисню є повітря (вміст кисню – 21%), при цьому виникає ряд вимог до процесу масопередачі на фазових переходах газ – культуральна рідина та культуральна рідина – клітина;

- процеси біосинтезу супроводжуються інтенсивним піноутворенням, що обумовлює зниження корисного об’єму ферментера і визначає негомогенність культуральної рідини;

- інтенсифікація біотехнологічних процесів несуттєво залежить від конструктивних змін в апаратурі; процеси біосинтезу і в основному, детерміновані генетичним потенціалом біологічного агента.

Вибір типу ферментеру, конструювання нового ферментаційного обладнання, модернізація відомих конструкцій можливе тільки в тому випадку, коли врахована специфіка технологічного процесу і фенотипічні ознаки біологічних агентів. Конструктивний розрахунок ферментеру, розрахунок гідродинамічних, масообмін них, теплообмінних характеристик, врахування умов диспергації фаз, утворення потоків, рівень сегрегації поживного середовища можна реалізувати тільки для конкретних типів апаратів.

Про класифікацію. На сьогоднішній день відома значна кількість класифікацій ферментерів в яких враховуються різні конструктивні, експлуатаційні та технологічні особливості ферментерів. В більшості випадків ферментери класифікують по засобу введення енергії, так як енергетичні чинники обумовлюють гідродинамічні та масообмінні показники. Існують три основні засоби введення енергії в поживне середовище. Ця класифікація придатна для рідкофазних аеробних або анаеробних біотехнологічних процесів. Недоліком цієї класифікації є те що вона не враховує ряд технологічних особливостей процесу:

- рівень асептики;

- вид технологічного процесу – періодичне, напівбезперервне або безперервне культивування;

- рівень сегрегації фаз – використання імобілізованих клітин, біоплівок, флокул та інше.

Класифікація ферментерів за способом введення енергії дозволяє згрупувати їх в блоки для яких можна розробити єдині методики інженерного розрахунку основних конструктивних елементів і режимів роботи.

Як правило, під час попереднього вибору ферментеру користуються схемою у відповідності з якою ферментери розділені по принципу введення енергії у культуральну рідину і ця класифікація орієнтована на виробництво мікробного білку (кормового білку). К. Шюгерль в 1982 р запропонував підрозділити біореактори на 3 основних групи згідно способу введення енергії для перемішування і диспергування стерильного (очищеного) повітря (газу).

Запропонована класифікація орієнтована на аеробні процеси, як найбільш поширені в біотехнології і вибір враховує інтенсивність масопередачі кисню у вигляді об’ємного коефіцієнту масопередачі. Представлена система класифікації враховує ефекти, що виникають при введенні визначеної кількості енергії. Базовим ефектом є швидкість сорбції кисню (К_L a (K_v а). [кгО₂ / м³ год]).

Висновки з представленої схеми:

Для ферментерів 1 групи K_v а£4,0-4,5. Ферментери з введенням енергії газовою фазою придатні для культивування бактерій та дріжджів,.

Для ферментерів 2 групи K_v а³5,0-6,0, максимальний рівень турбогіпобіозу.

Для ферментерів 3 групи K_v а може приймати будь-яке значення, але ці апарати як правило використовують для процесів де потрібний мінімальний рівень турбогіпобіозу

Рис. 7.1. Класифікація ферментерів для аеробних процесів біосинтезу за типом введення енергії на перемішування

Дата добавления: 2014-01-04