IV. Принцип масштабирования технологических процессов

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно в лабораторных, пилотных и промышленных установках. На каждом этапе используются ферментеры различных объёмов: на лабораторном этапе – от 0,5 до 100 литров, на пилотном этапе – от 100 до 5000 литров, на промышленном этапе – от 5000 до 1000000 литров.

Увеличение объёмов и масштабы ферментации называется масштабированием, при этом решаются конкретные задачи налаживания производства и его оптимизации.

Лабораторные ферментеры по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на 2 категории:

1. Лишённые собственных систем теплообмена и стерилизации – такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах.

2. Снабжены системами теплообмена и стерилизации, которые принципиально не отличаются от промышленных.

С помощью лабораторных ферментеров решаются следующие задачи:

1. Кинетические – связанные с определением скорости роста клеток, эффективности утилизации субстрата и образованием целевого продукта

2. Массообменные – связанные с расчётом коэффициентов массопередачи, скорости поступления в среду О₂ и других газов, скорости освобождения от газовых продуктов, образующихся при культивировании продуцентов

3. Определение коэффициентов реакции, связывающих утилизируемые субстраты и О₂ с получаемыми целевыми продуктами, а также побочными продуктами

Пилотные установки используют для поиска наиболее целесообразных технологий и моделирования промышленного процесса, поэтому на этом этапе стараются применять биореакторы тех же типов, что и в промышленности. При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду то, что при соблюдении одинаковых условий (питательная среда, температура, pH, скорость перемешивания, тип аппарата) уровень и скорость синтез целевого продукта могут существенно отличаться, поэтому при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам приходится на ряду с объёмом изменять и конструкцию, а также режим работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надёжных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.

Техническую вооружённость биотехнологических процессов целесообразно условно ограничить аппаратами, базирующимися на культивировании:

1. Бактерий и грибов

2. Клеток и тканей растений

3. Клеток и тканей животных организмов и человека

Такое подразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своём выращивают в однотипных биореакторах, растительные клетки растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чем клетки бактерий и грибов, и это вносит определённые коррективы в аппаратурные оформления, соответствующих биотехнологических процессов.

V. КОНЕЧНЫЕ СТАДИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Стадии получения целевого продукта:

1. Отделение биомассы/Сепарация

Предполагается осуществление специальной обработки клеточной культуры, при котором происходит отделение её от субстрата. Для этого разработаны следующие методы:

А) флотация – используется в том случае, если клетки продуцента в силу низкой смачиваемости накапливаются в верхних слоях содержимого биореактора; особое устройства – флотаторы – удаляют клетки продуцента, прилипшие к пузырькам пены над культуральной средой

Б) фильтрация – основана на применении различных фильтрующих систем, работа которых основана на одном принципе – задержке биомассы на пористой фильтрующей перегородке; недостатком этого способа является налипание клеток на фильтре, при этом снижается скорость протока жидкости в процессе фильтрования

В) центрифугирование – требует дополнительного оборудования, поэтому удорожает конечный продукт и используется не во всех производствах