Мембранные реакторы

Мембранный реактор представляет собой аппарат, в котором одновре­менно осуществляется проведение двух процессов - управляемого культивиро­вания свободных микроорганизмов в объеме реактора и удаление продуктов (и замены их субстратом) с помощью мембранного модуля. В зависимости от рас­положения мембранного модуля мембранные реакторы разделяют на те, у ко­торых мембрана является элементом конструкции самого реактора, а также на реакторы с выносными фильтрационными модулями (по форме реакторы могут быть плоскими, половолокнистыми и др.). Эксплуатация реакторов первого ти­па происходит в более строго контролируемых условиях, однако замена мем­браны осложнена (замена мембраны необходима, так как она неизбежно за­соряется клеточными обломками и коллоидными частицами). Этот недостаток исключается в реакторах второго типа, однако им присуща опасность зара­жения, а также циклически неконтролируемых изменений давления и концен­трации компонентов в выносном фильтрационном модуле.

Материал фильтрационных мембран может быть различным - керамиче­ские и металлокерамические фильтры, стерилизуемые полимерные матрицы, ионообменные мембраны. По типу мембраны разделяются на фильтрационные и диализные: в первом случае массоперенос через мембрану осуществляется за счет разницы давления над и под мембраной; во втором - за счет градиента концентраций над и под мембраной.

Принципиальная схема мембранного реактора, у которого мембрана явля­ется элементом его конструкции, приведена на рис.8а Реактор с выносным мо­дулем представляет собой реактор с перемешиванием (с гомогенной средой) и циркуляцией среды через модуль. Третий тип мембранного реактора относится к тому случаю, когда клетки каким-либо образом прикреплены к мембране или находятся внутри самой мембраны. Чаще всего для этого используют мембраны, представляющие по­лые волокна, на поверхности которых закреплены клетки и через которые по­ступает субстрат и одновременно отводятся продукты (рис.8б). Модификацией такого реактора является реактор с двойными полыми волокнами (рис.8в), ко­гда в пористое полое волокно большого диаметра (трубку) заключены полые пористые волокна меньшего диаметра и в межволоконном пространстве нахо­дятся клетки. Этот реактор целесообразно использовать, когда субстраты и (или) продукты находятся в жидкой и газообразной фазе. Газообразные компо­ненты реакционной системы подаются (удаляется) через стенку волокна боль­шего диаметра, а жидкая компонента - через волокно меньшего диаметра.

Установлено, что мембранные реакторы можно использовать для культи­вирования практически всех эукариотических и прокариотических микроорганизмов, как в аэробных, так и в анаэробных режимах. Их применяют, в частно­сти, для получения ферментов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, орга­нических кислот, этанола, бутанола, ацетона, акриламида.

Мембранные реакторы относятся к ферментационному оборудованию но­вого поколения. В настоящее время ведутся исследования по использованию функциональных мембран с активными переносчиками, иммобилизованными ферментами, аф­финными сорбентами и т.д. В настоящий момент применение мембранных ре­акторов тормозится определенным дефицитом мембранных материалов и необ­ходимостью ломки традиций и стереотипов.