Основы биотехнологических методов

208

Технология ферментации

ВВЕДЕНИЕ. Правильный расчет конструкции биореактора так же важен для осуществления экономически выгодного процесса ферментации, как и сведения о биологических характеристиках используемых микроорганизмов, полученные при биологических и биохимических исследованиях. Основные цели усовершенствования биореакторов заключаются в повышении безопасности проведения ферментации и минимизации промышленных затрат. При оптимизации конструкции биореактора рассматриваются следующие наиболее важные аспекты: 1) перемешивание среды роста микроорганизмов; 2) соблюдение температурного режима и 3) снабжение клеток кислородом в случае аэробной ферментации.

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ в биореакторе осуществляется с помощью механического устройства или путем пропускания воздуха или другого газа. При перемешивании возникают турбулентные потоки, которые можно математически описать, используя число Рейнольдса (Re). Значение числа Рейнольдса обратно пропорционально вязкости среды – параметра, который в случае образующих мицелий организмов зависит от стадии роста микроорганизма и от концентрации продукта в среде. Наиболее наглядна зависимость скорости турбулентных потоков от количества продукта в среде в случае получения ксантановой смолы. Биореактор идеального перемешивания – это математическая модель, которую используют для изучения закономерностей роста микроорганизмов в биореакторе. В этом идеализированном случае считается, что концентрация любого компонента среды одинакова во всем объеме реактора, т. е. среда абсолютно гомогенна. На практике такая ситуация недостижима, так как любой биологический материал не идеальная жидкость: так, клетки мицелия весьма чувствительны к механическому воздействию, поэтому необходимо подбирать условия, обеспечивающие наиболее эффективное перемешивание и в то же время сохраняющие жизнеспособность биологического материала. На эффективность перемешивания влияет множество факторов: форма реактора, конструкция мешалок, их число и скорость вращения для реакторов с механическим перемешиванием или способ подачи газа (барботажная колонна или инжекторная подача) и конструкция насосов для аэроперемешивания. Число Ne – коэффициент мощности – отражает потребление энергии в процессе перемешивания содержимого реактора. В случае, когда через среду не пропускают газ, значение Ne связано с числом Рейнольдса. Для перемешивания в промышленных биореакторах разработано несколько конструкций, позволяющих эффективно проводить аэрацию и перемешивание. К таким устройствам относятся, например, крыльчатые диски и турбинные мешалки.

Эффективность перемешивания описывается объемным коэффициентом массопередачи kLa.

ПОДДЕРЖАНИЕ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ – необходимое условие для оптимального течения процесса ферментации. При росте микроорганизмов высвобождается большое количество энергии в виде тепла, перемешивающие устройства также выделяют тепло. Кроме того, определенный вклад вносят процессы общей теплопередачи и теплообмена на границах фаз. Обычно системы охлаждения с помощью змеевиков или охлаждающих рубашек достаточно для поддержания температуры ферментации на определенном уровне. Однако в некоторых случаях, например при использовании в качестве источников углерода алканов или метанола, требуются дополнительные устройства для охлаждения реактора.

АЭРАЦИЯ. Рост аэробных организмов замедляется, если концентрация кислорода в среде ниже некоторого критического значения. При подборе оптимальных условий аэрации учитывают биологические и технические особенности ферментации. Во-первых, оптимальная скорость переноса кислорода в реакторе зависит от максимальной скорости потребления кислорода микроорганизмами. Во-вторых, не следует забывать о том, что кислород в условиях ферментера находится в трехфазной системе (газ–питатель- ная среда–клетка), и транспорт в такой сложной системе также должен быть оптимизирован. Общее сопротивление обмену кислорода складывается из отдельных сопротивлений в последовательных процессах переноса кислорода от газового пузырька до клетки: 1) диффузия газа к границе раздела фаз газ–жидкость; 2) перенос через границу раздела фаз газ–жидкость; 3) транспорт через жидкость к микроорганизму; 4) транспорт внутри клетки. В случае одноклеточных микроорганизмов на скорость переноса кислорода значительно влияет скорость диффузии кислорода к скоплениям клеток или мицелию. На процесс транспорта кислорода в жидкости влияет множество факторов: 1) технологические (размер реактора, заполненность реактора, эффективность перемешивания, интенсивность аэрации); 2) физикохимические (плотность и вязкость среды, температура, поверхностные свойства (необходимо добавление пеногасителей!)); 3) биологические характеристики микроорганизма (форма клеток). Важный показатель массообмена кислорода kLa можно измерить экспериментально.