36.Обґрунтування вибору способу культивування (біосинтезу).

Процес виробництва біологічно активних речовин в тому числі і біомаси технологічно і технічно може реалізовуватися різними способами. Особливості обраних способів біосинтезу впливатимуть на хід всього виробничого процесу. Культивування продуцентів продуцентів біологічно активних речовин можна здійснювати двома способами: поверхневим і глибинним.

Поверхневий спосіб вирощування

Культуру вирощують в тонкому шарі сипучого середовища з природною або примусовою аерацією. Спосіб не є актуальним, оскільки суттєвими недоліками вирощування поверхневим методом являються велика трудомісткість робіт, необхідність у громіздкому обладнанні, недосконала гігієна праці. При цьому отримуваний продукт часто має незадовільну якість і активність препарату, як правило, низька. У зв’язку з цим поверхневий метод отримання біологічно активних речовин витіснився глибинним.

Глибинний спосіб вирощування

При глибинному способі культуру вирощують на рідкому середовищі при перемішуванні і примусовій аерації. Метод глибинного вирощування застосовується в двох формах: культивування в умовно-асептичних умовах та культивування в асептичних умовах. Культивування умовно-асептичне Посівну культуру готують в стерильних умовах, але біосинтез проводять у відкритих ферментерах. Аерація з одночасним перемішуванням досягається за допомогою перемішувачів різних конструкцій, наприклад, типу полої труби.

Асептичний біосинтез

Глибинне культивування проводять у ємностях, що називаються ферментерами. Основна вимога до ферментеру – можливість проведення процесу культивування продуцента в асептичних умовах при інтенсивній аерації середовища. У процесі культивування маємо справу зі складною трьохфазною системою рідина – тверде тіло – газ. У такій системі утруднені масообмінні процеси, і тому ускладнюється апаратурне оформлення всієї стадії вирощування. Вирощування проводять при постійній аерації. Повітря для аерації через трубопровід поступає на очищення у фільтр і в очищеному вигляді подається в середовище. Необхідна для вирощування температура (27 - 28°С) підтримується подачею води в сорочку чи охолоджуючі труби. Для усунення піни, що утворюється в процесі вирощування додається піногасник із дозатора. Отже, основним призначенням аеруючого обладнання в ферментері є забезпечення умов для максимального розчинення кисню повітря, щоб в середовищі при вирощуванні культури знаходився вільний розчинений кисень.

37. Класифікація ферментерів: вимоги до вибору типового ферментера.

Серед базових вимог (обмежень), які потрі

Перший метод є більш надійним та ефективни бно враховувати при конструюванні або виборі типового ферментера необхідно виділити наступні:

- гідродинамічна обстановка у 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 і більше.

- 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.

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.

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.

Існують три основні засоби введення енергії в поживне середовище:

- ферментери з підводом енергії газовою фазою,

- ферментери з підводом енергії рідкою фазою,

- ферментери з підводом енергії газовою та рідкою фазою.

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.

На рисунку зображені схеми ферментерів, в яких підвід енергії здійснюється ме- ханічно рухомими конструкціями: а) ферментер з циркуляційним контуром сформований дифузором циліндричної форми і турбінною мішалкою відкритого типу; б) реактор з механічним перемішуванням та циркуляцією; в) ферментер з механічним перемішуванням та циркуляційним контуром; г) реактор з автономною механічною аерацією; д) каскадний ферментер з обертовими перемішуючими пристроями; е) ферментер з багатоярусними перемішуючими пристроями та перегородками; є) каскадний ферментер з коаксіальним рухом перемішуючих пристроїв; ж) реактори с радіальною циркуляцією;

Основні фактори впливу, що визначають вибір ферментеру базуються на тому, що на сьогоднішній день відсутня узагальнена система вибору ферментаційного обладнання. Для вибору використовують власний досвід або досвід існуючих виробництв. Базовою особливістю біотехнологічних процесів є їх висока індивідуальність стосовно базового етапу біосинтезу – стадії культивування. 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.

Перелік факторів впливу.

1. Консистенція ПС. В цьому випадку визначають тип ПС, яке може бути рідким, ущільненим, сипким. При цьому рідкі ПС можуть мати у своєму складі розчинені або нерозчинені субстрати. Багатофазні системи мають специфічні ознаки, що визначає інтенсивність масообмінних процесів.

2. Технологічне рішення стадії біосинтезу – періодичний процес, напівперіодичний або безперервний.

3. Рівень асептичності (асептичні, умовно асептичні, неасептичні). В цьому випадку приймається до уваги те що процес отримання посівного матеріалу характеризується значно більшою вимогливістю до забезпечення асептичності.

4. Рівень аеробності який враховує потреби у розчиненому кисні та інтенсивність його доставки до БА. Складовою цього процесу є розділення ефектів перемішування та аерації. Прикладом ефекту перемішування є рівень введеної енергії, а ефект аерації оцінюється по інтенсивності масопередачі.

5. Рівень припустимого турбогіпобіозу. Причиною “гіпобіозу” є турбулізація середовища тому пропонується термін турбогіпобіоз (Биотехнол бактер синтеза с. 230). Таким чином для кожної системи культивування існує такий рівень турбогіпобіозу при якому спостерігається зниження інтенсивності ростових процесів та інтенсивності утворення метаболітів і цей процес супроводжується ушкодженням клітин та іншими гіпоефектами, які визвані турбулентністю середовища, а саме зрізовими зусиллями які виникають в результаті взаємодії культурального середовища з конструктивними елементами ферментеру та в результаті взаємодії (контакту) фаз.

6. Продуктивність процесу 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.

7. Інтенсивність термодинамічних процесів. Інтенсивність тепловиділення обумовлює конструкцію систем тепловідведення. Остаточний вибір типу ферментеру здійснюється після проведення модельних досліджень на пілотних лабораторних установках. Обов’язковим елементов попередніх досліджень є визначення критеріїв масштабування в ними, як правило вибирають: · інтенсивність масопередачі кисню (об’ємний коефіцієнт масопередачі); · швидкість потоків (масштабування за гідродинамічними показниками); питомі витрати енергії для досягнення ідентичних показників по виходу цільового продукту, досягнення необхідного об’ємний коефіцієнт масопередачі та інш.

8. Характер потоків. В залежності від структури потоків виділяють ферментери з режимом ідеального змішування (наприклад лабораторні апарати з швидкістю обертання мішалки не менше 300 об/хв. і часом вирівнювання концентрації – час гомогенізації 2 – 8 хв). Режим ідеального витиснення (тубулярний - поршневий).