1.3. Системы аэрирования и перемешивания

Перемешивание в биореакторах решает следующие задачи: интенсификация процессов массопередачи газ-жидкость и жидкость-клетка; интенсификация теплопередачи при термостатировании среды; диспергирование капель жидкости и пузырьков газа; выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды; выравнивание концентраций в объеме среды.

Для аэрации культуральной среды при аэробных биотехнологических процессах используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО₂), которые подлежат удалению.

Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.

Биореакторы с механическим перемешиванием – имеют мешалку, которая состоит из центрального вала и 6-8 лопастей, расположенных в несколько этажей. В систему перемешивания входят отражательные перегородки, которые переводят круговое движение жидкости в вихревое. Аэрация осуществляется путем подачи воздуха снизу через горизонтальную трубку с отверстиями (барботер). Такие биореакторы используют для производства кормовых дрожжей и спирта.

Биореакторы с пневматическим перемешиванием – мешалка отсутствует; перемешивание осуществляется пузырьками газа. В таких биореакторах скорость массопередачи между газом и жидкостью усиливается вращающимися дисками с отверстиями или придонными пропеллерами. Возможен вариант, когда воздух подается не во внутренний, а во внешний объем среды. На пневматическом перемешивании основаны колоночные биореакторы, они разделены горизонтальными перегородками на этажи, это усиливает аэрацию и перемешивание. Такие биореакторы используют для культивирования клеток животных и растений.

Биореакторы с циркуляционным перемешиванием – содержат насосы, которые создают направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Жидкость увлекает за собой пузырьки газа. Разработаны аппараты, в которых сочетается циркуляционное и пневматическое перемешивание. Такие ферментаторы можно заполнять твердыми частицами (песок, куски обожженной глины, гранулы полимеров), это улучшает перемешивание, препятствует обрастанию стенок биообъектом, улучшает диспергирование воздуха в жидкости. При этом клетки растут в виде пленки на твердых частицах. Такие биореакторы используют для культивирования грибов и актиномицетов.

1.4. Системы пеногашения, асептики и стерилизации

Серьезная проблема для аэрируемых биотехнологических процессов – вспенивание культуральной среды (образование на ее поверхности слоя из пузырей). Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки).

Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое («кислородный коктейль») наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию.

Однако избыточное пенообразование ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому система пеногашения – необходимая составная часть реактора.

Различают механические, акустические, химические пеногасители и их комбинации. Химические пеногасители: жировые (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное масла, сало, рыбий жир и др.) и синтетические (силиконы, пропинолы, контрамины, полимерные многоатомные спирты, полиэфиры и др.). Механические пеногасители – лопасти, диски, барабаны, расположенные в верхней части биореактора, сепараторы пены.

Система стерилизации – специфический элемент биореактора. Принципы асептики биотехнологического производства: устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента; поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса; стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого в биореактор воздуха

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют ферментаторы?

2. Какие требования предъявляют к биореакторам и к другому оборудованию для реализации биотехнологических процессов?

3. Типы биореакторов.

4. Какими системами должен обладать современный биореактор?

5. Что понимают под теплообменом при реализации биотехнологических процессов?

6. Уравнение теплообмена.

7. Что понимают под массообменом при реализации биотехнологических процессов?

8. От каких факторов зависит скорость потребления кислорода биообъектом?

9. Как рассчитывают скорость переноса кислорода?

10. Какие задачи решаются в биореакторах при перемешивании?

11. Охарактеризуйте биореакторы с механическим перемешиванием.

12. Охарактеризуйте биореакторы с пневматическим перемешиванием.

13. Охарактеризуйте биореакторы с циркуляционным перемешиванием.

14. Системы асептики и стерилизации при реализации биотехнологических процессов.

15. Виды пеногасителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Биотехнология: учебное пособие для вузов, в 8 кн., под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д. – М., 1987.

2. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В. Бирюков. – М.: КолосС, 2004. – 296 с. – ISBN 5-9532-0231-8 («КолосС»); ISBN 5-98109-008-1 (АНО «Химия»)

3. Блинов, В.А. Общая биотехнология: курс лекций. В 2-х частях. Ч. 1 / В.А. Блинов. – Саратов, 2003.

4. Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. – СПб.: Наука, 1995. – ISBN 5-02-026027-4

5. Клунова, С.М. Биотехнология: учебник / С.М. Клунова, Т.А. Егорова, Е.А. Живухина. – М.: Академия, 2010. – 256 с. – ISBN 978-5-7695-6697-4