I II III

Классификация систем непрерывного культивирования

Классификации биореакторов

Лекция 13, 14

По технологическому оформлению различают следующие микробиологические процессы:

1) аэробное и анаэробное культивирование;

2) асептическое и нестерильное;

3) гидродинамические условия в ферментере близкие к идеальному перемешиванию, идеальному вытеснению или промежуточное состояние;

4) поверхностное (на поверхности твердых или жидких питательных сред (агаризованые среды, твердые субстраты: пшено, ячмень, пшеничные отруби)) и глубинное (выращивание микроорганизмов во всем объеме питательной среды) культивирование;

5) периодическое и непрерывное культивирование. При периодическом способе в ферментатор загружают сразу весь объем питательной среды и вносят посевной материал. Выращивание производят в оптимальных условиях в течение определенного времени. В этих условиях микроорганизмы растут и размножаются, проходя определенный цикл развития, выражаемый в смене фаз (рисунок 5.13). I фаза – лаг-фаза или фаза приспособления. Она начинается от момента внесения инокулята в питательную среду до начала размножения микроорганизмов. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизма, состава посевной и питательной сред и условий культивирования. В клетке происходит ряд биохимических изменений. II фаза – фаза ускорения роста или переходная фаза характеризуется началом деления клеток, вследствие чего начинает увеличиваться численность популяции и скорость роста культуры. III фаза – экспоненциальная или логарифмическая фаза – фаза наиболее активного роста числа клеток, в которой устанавливается максимальная скорость роста. IV фаза – фаза замедленного роста или уменьшения скорости роста. Скорость роста снижается вследствие понижения концентрации питательных веществ, накопления продуктов обмена, пространственной ограниченности. V фаза – стационарная – прирост биомассы прекращается, в культурах накапливается максимальное количество биомассы или максимальное число клеток (эти максимальные величины принято называть выход или урожай). IV фаза – фаза отмирания или гибели. Она начинается с того момента, когда число отмерших клеток становится больше числа вновь образованных.

При периодических процессах не используется в полной мере способность микроорганизмов к размножению. Период самой активной жизнедеятельности – логарифмическая фаза – занимает лишь небольшую часть производственного цикла. При этом способе все клетки находятся в непрерывно меняющихся условиях (сначала избыток источников питания, далее накопление продукта и продуктов жизнедеятельности, ингибирующих рост клеток). Избежать ингибирования можно постепенным введением питательных веществ в течение всего процесса. Такой метод называют культивированием с дробным введением субстрата. При этом происходит изменение объема питательной среды. Еще одним методом осуществления периодического культивирования с дробным дозированием субстрата через диализирующую мембрану, позволяющую проникать только определенным веществам за счет чего поддерживается их постоянная концентрация в среде.

Чтобы сохранить объем постоянным и снизить концентрацию продуктов жизнедеятельности в среде, часть культуральной жидкости можно удалять через определенные промежутки времени. Такой способ культивирования называется «отъемно-доливным». В данном случае основные параметры процесса – объем, скорость разбавления, удельная скорость роста– не являются постоянными, и культура находится к квазистационарном (мнимостационарном) состоянии.

Непрерывное культивирование заключается в непрерывной подаче веществ в ферментер в таком количественном и качественном соотношении, которое необходимо для поддержания микроорганизмов в в экспоненциальной фазе развития. Одновременно часть культуральной среды со взвешенными клетками с той же скоростью выводится из ферментатора.

В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Рассмотрим некоторые типы ферментационных аппаратов.

Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки.

Аппараты для анаэробных процессов применяются в процессах конверсии растительного сырья, в том числе растительных, 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 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 80-150 мм, затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют продуцент. 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.

Технически наиболее сложным является аэробный глубинный, стерильный процесс ферментации. Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструктивно, так и с точки зрения их эксплуатации.

Наиболее удачной является классификация 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 к газовой фазе, к жидкой фазе и комбинированный подвод (рисунок 5.14).

Реакторы с подводом энергии через газовую фазу отличаются простотой конструкции и надежностью эксплуатации, так как отсутствуют движущиеся детали и узлы. К таким аппаратам относятся, например, барботажные эрлифтные ферментеры.

Характерным конструктивным признаком реакторов с подводом энергии через жидкую фазу является наличие самовсасывающего элемента или насоса. К этой группе аппаратов можно отнести, например, ферментеры с самовсасывающими перемешивающими устройствами, с эжекционной системой перемешивания и аэрации, с внешним циркуляционным контуром.

Основным конструктивным элементом реакторов с комбинированным подводом энергии является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокоинтенсивное диспергирование и гомогенизацию. К этой группе относятся аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом.

Системы непрерывного культивирования классифицируют по принципу их действия (рисунок 5.15).

В открытых системах клетки постоянно вымываются вытекающей средой со скоростью образования в системе новых клеток. В замкнутых системах клетки в какой-то мере задерживаются в системе и их количество все возрастает.

Открытые одноступенчатые гомогенно-непрерывные системы

Открытой одноступенчатой гомогенно-непрерывной системой называется система, состоящая из одного ферментатора с постоянной скоростью подачи питательной среды и отвода культуральной жидкости с клетками выращенных микроорганизмов. За счет интенсивного перемешивания концентрация всех компонентов – клеток, питательных веществ и продуктов метаболизма – одинакова во всем объеме ферментатора.

При гомогенно-непрерывном процессе в ферментаторе могут быть созданы условия, соответствующие любой точке кривой роста культуры, выращиваемой периодическим способом при установившемся режиме.

При гомогенно-непрерывном культивировании можно осуществить ограничение роста культуры одним элементом питания при не лимитируемых количествах остальных элементов. Такое непрерывное культивирование называется хемостатным (или хемостат), так как рост микроорганизмов регулируют химические факторы среды (рисунок 5.16). Хемостатная культура представляет собой полностью перемешиваемую суспензию биомассы, в которую с постоянной скоростью подается среда и из которой с той же скорость отбирается культуральная жидкость вместе с клетками. Компоненты среды подбирают таким образом, чтобы один элемент питания был в недостатке, тогда плотность популяции определяется его концентрацией. Все остальные элементы питания даются в избытке, а условия культивирования (температура, рН, аэрация) поддерживаются оптимальными. Скорость разбавления в хемостате заранее задана и контролируется концентрацией лимитирующего компонента. Микроорганизмы в зависимости от этого сами поддерживают собственную концентрацию.

Рисунок 5.17 Принципиальная схема работы

Рисунок 5.16 Принципиальная схема работы хемостата: турбидостата:

1 — регулятор подачи лимитирующего компонента; 1 - источник света; 2 – фотоэлемент;

2 — датчик концентрации лимитирующего компонента. 3 – усилитель сигнала фотоэлемента;

4 – регулятор подачи питательной среды;

5 – насос для циркуляции культуральной жидкости

Максимальная скорость роста может быть достигнута при турбидостатном культивировании (турбидостат), при котором контроль процесса осуществляется по концентрации микроорганизмов (рисунок 5.17). В турбидостате задается постоянная концентрация клеток, которая контролируется непосредственно в культиваторе при помощи физических и физико-химических методов, в основном с использованием системы фотоэлементов. Скорость притока свежей питательной среды регулируется специальным устройством. При избытке субстрата в турбидостате происходит размножение микроорганизмов с максимальной скоростью, и концентрация клеток быстро возрастает. При превышении заданной концентрации клеток срабатывает фотоэлемент и включается приток свежей среды, благодаря чему концентрация клеток снижается. Турбидостат работает наиболее эффективно при низкой концентрации клеток. При малейшем изменении скорости разбавления очень быстро меняется концентрация клеток, и чувствительность прибора используется полностью. Этот метод применим для выращивания микроорганизмов на прозрачных средах.

Гомогенная непрерывная открытая система является основой для анализа и оценки всех других типов непрерывных микробиологических процессов. Другие типы рассматриваются лишь как особые случаи этого основного типа.

Открытые многоступенчатые гомогенно-непрерывные системы

При получении некоторых продуктов процесс непрерывного культивирования не может быть успешно реализован в одном ферментаторе, т.е. в одну ступень. В этом случае возникает необходимость применения многоступенчатой непрерывной системы, которая представляет собой ряд последовательно соединенных ферментаторов (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 Схема многоступенчатой непрерывной системы:

1 - с простой цепью питания;

2,3-со сложной цепью питания;

4- с частичным возвратом отсепарированных клеток (рециркуляцией).

Если в многоступенчатых системах свежая питательная среда подается только в первую ступень, то такая система называется однопоточной или системой с простой цепью питания. Если питательная среда подается как в первую ступень, так и в каждую последующую, то такая система называется многопоточной или системой со сложной цепью питания. В этих системах питательная среда, подаваемая в разные ступени, может иметь как одинаковый, так и различный состав. Если после последнего ферментатора часть клеток (отсепарированных) возвращается в первый ферментатор, то такая система называется системой с частичным возвратом (или рециркуляцией) клеток.

Многоступенчатость в некоторых случаях достигается вертикальным или горизонтальным разделением ферментатора на несколько этажей или камер.

Многоступенчатые непрерывные системы дают широкие возможности для экспериментальной и практической работы. Сохраняя непрерывность процесса, можно поддерживать культуру микроорганизмов на различных фазах роста, в различном физиологическом состоянии, подавать в ферментаторы субстрат разного состава, добавлять в систему микроорганизмы в требуемом физиологическом состоянии. В конечном счете, многоступенчатые непрерывные системы позволяют наиболее полно использовать синтетические возможности микроорганизмов при максимальной утилизации субстрата.

Открытые гетерогенно-непрерывные системы

Одно из главных отличий систем этого типа от гомогенно-непрерывных заключается в том, что в процессе выращивания культура не перемешивается или перемешивается не полностью. Питательная среда протекает непрерывно как однородная струя через постоянный объем ферментатора. Состав среды изменяется вдоль потока и зависит от скорости потока. Если условия потока постоянны, то состав среды на определенном участке ферментатора приближается к постоянному и не зависящему от времени значению. Следовательно, хотя каждый отдельный компонент претерпевает изменения при непрерывном движении через систему, сама система в целом не изменяется во времени. Типичным примером трубчатой системы является трубчатый реактор. Гетерогенное культивирование в трубчатом реакторе требует постоянного засева от предшествующего непрерывно работающего ферментатора. Среда подается однородной струей из хемостата. Она не перемешивается и не аэрируется. В трубчатом реакторе микроорганизмы растут взвешенными в среде (рисунок 5.19). Продвигаясь вместе со средой вдоль трубчатого реактора, клетки размножаются; достигают максимальной численности, и могут даже начать отмирать, если реактор имеет достаточную длину. Следовательно, несмотря на непрерывность процесса, клетки проходят здесь тот же цикл развития, что и при периодическом способе культивирования.

Преимуществом трубчатой системы является также сравнительно полное использование субстрата. Недостаток ее заключается в трудности аэрации, поэтому она преимущественно применяется для анаэробных процессов или для процессов с минимальным потреблением кислорода (например, для анаэробной очистки сточных вод).

Рисунок 5.19 Схема гетерогенно-непрерывной системы с

трубчатым реактором: 1 – хемостат; 2 – трубчатый реактор;

3 – сепаратор для отделения биомассы.

Рисунок 5.20 Схема гетерогенно-непрерывной противоточной

системы: 1 – хемостат; 2 – реактор; 3 – сепаратор для

отделения биомассы

К открытым гетерогенно-непрерывным системам относятся также противоточные системы, в которых две несмешивающиеся фазы протекают в противоположных направлениях (рис. 5.20). Микроорганизмы сначала выращиваются в гомогенной системе (хемостате), откуда поступают в реактор 2. Пространство реактора обычно разделено на ярусы, которые можно размещать различным образом. Питательная среда (водная фаза) с активной взвесью клеток подается сверху в вертикальный реактор. Более легкая (жидкая или газовая) фаза, не смешивающаяся с более тяжелой жидкой фазой, течет в противоположном направлении. В системе может быть предусмотрена рециркуляция клеток. Противоточные системы могут быть использованы в нефтяной промышленности для обработки при помощи микроорганизмов некоторых жидких или газообразных углеводородов.

Замкнутые системы с рециркуляцией клеток

Перевод гомогенной или гетерогенной открытой системы в замкнутую осуществляется путем полной рециркуляции клеток (рисунок 5.21 I). Существует два варианта такой рециркуляции:

1) свежая среда вводится в культиватор, куда вносится и взвесь клеток после отделения их от использованной среды;

2) среда вместе со взвесью клеток непрерывно циркулирует в системе.

Рисунок 5.21 Замкнутые системы: I – с рециркуляцией клеток (1 – ферментатор, 2 аппарат для отделения клеток); II – с механическим отделение клеток (1 – ферментатор, 2 – сосуд с полупроницаемыми стенками); III – с выращиванием микроорганизмов в промежуточной фазе (а – жидкость-газ (культура на жидкости в виде пленки), б – жидкость-твердое тело (микроорганизмы закреплены на твердом носителе))

Замкнутые системы с механическим отделением клеток

В этой системе культура выращивается в сосуде с полупроницаемыми стенками, погруженном в протекающую питательную среду (рисунок 5.21 II). Через полупроницаемые стенки происходит, обмен метаболитов и питательных веществ, а микроорганизмы остаются в сосуде.

Замкнутые системы с выращиванием клеток в промежуточной фазе

Некоторые микроорганизмы хорошо развиваются на границе жидкой и газовой фаз или на границе жидкой и твердой фаз (рисунок 5.21 III). Обычно культура сама образует достаточно плотные пленки на границе жидкой и газовой фаз, а свежая питательная среда протекает вдоль слоя культуры (а). Медленно протекающая жидкость, на поверхности которой растет культура, не содержит клеток или содержит их очень мало. Такие системы применяются для микроорганизмов, чувствительных к перемешиванию, а также для культивирования плесеней, продуцирующих пенициллин, лимонную кислоту или ферменты.

Некоторые виды микроорганизмов растут на границе жидкой и твердой фаз. Твердая фаза (стружка, целлюлозные волокна, керамические или стеклянные трубки и др.), погруженная в протекающую питательную среду, служит несущим элементом, на котором закреплена культура (б). Микроорганизмы растут на насадке, а субстрат циркулирует в системе. Такая система широко распространена в производстве уксусной кислоты, органических растворителей, кислот; применяется она и для очистки сточных вод.

Дата добавления: 2013-12-13