Микробиология и основы биотехнологии

Полное перемешивание обеспечивает одинаковую концентрацию среды и кислорода во всем объеме жидкости.

Систему можно считать изотермической, если реактор снабжен устройством эффективного отвода тепла и регулятором температуры, обеспечивающим заданный уровень температурного режима. В этих условиях можно изучать процессы микробиологических превращений в изотермическом режиме.

Кинетика процессов в ПРПП проще, чем в реакторах периодического действия, т. к. отсутствует зависимость концентрации субстрата от времени.

ÂПРПП клетки могут приспосабливаться к стационарным условиям

èпереходить в состояние сбалансированного роста, что трудно достичь в реакторе периодического действия.

Изучение процессов в ПРПП имеет преимущества в результате обеспечения достаточно однородных условий, позволяющих выявить:

–механизмы и скорости микробиологических процессов;

–основы управляемого биосинтеза;

–математические закономерности протекания биопроцесса во времени и зависимости скоростей биохимических реакций от факторов среды.

Полученные на основе идеальных реакторов математические модели могут успешно применяться даже в тех случаях, когда реальные условия не всегда соответствуют модельным.

Реакторы с полным перемешиванием могут быть использованы для изучения и определения параметров реакторов с неполным перемешиванием, со значительной объемной однородностью условий реакции. ПРПП имеют различные конструкции, и реакции в них катализируются различными ферментами.

Идеальный реактор периодического действия. Такие реакторы могут быть использованы для изучения периодического роста клеток. По мере роста популяции в реакторе изменяется концентрация питательных веществ и клеток, продуктов метаболизма. После инокуляции микроорганизмов в жидкую среду в течение всего периода роста клеток в реактор ничего не добавляется и не удаляется (за исключением некоторых газов).

Реакторы периодического действия, как правило, небольшие по объему и оборудованы проще, чем ПРПП. Состояние стационарности в них достигается в течение часов и даже суток, что повышает риск внесения

91

загрязнений в содержимое реактора и обесценивает результаты эксперимента. В крупномасштабном производстве необходимыми и целесообразными являются периодические процессы, отличающиеся непостоянным, несбалансированным ростом клеток, продуктами метаболизма и различной активностью процесса. Кинетические модели ПРПП, основанные на стационарных условиях, для крупномасштабных производств практически не пригодны.

Реакторы периодического действия с добавлением субстрата. При реализации микробиологических процессов часто возникает необходимость во введении в биореактор растворов предшественников, которые улучшают качество продукта и повышают его выход, соединений с регуляторной активностью (в частности, индукторов, потребность в которых может возникнуть только в определенный момент процесса), растворов веществ, способствующих поддержанию низких концентраций питательных веществ (в частности, для подавления катаболитной репрессии), или растворов питательных веществ, что позволяет увеличить продолжительность стационарной фазы и повысить выход продукта. Когда поток жидких питательных веществ поступает в реактор, естественно изменяется и объем культуры; этот факт необходимо учитывать и в уравнениях, описывающих работу реактора.

Идеальный трубчатый реактор полного вытеснения (ТРПВ). Тече- ние жидкости по трубопроводу сравнительно большого диаметра приближается в такой системе к режиму полного вытеснения (поршневому потоку), при котором в поперечном сечении потока осевые скорости не изменяются. Если допустить, что режим полного вытеснения приближенно описывает движение жидкости через реактор, то, воспользовавшись понятием об элементарном объеме, можно вывести уравнение материального баланса по компонентам системы в трубчатом реакторе полного вытеснения.

При таком подходе считается, что в трубчатом реакторе стационарное состояние сохраняется в элементарном объеме потока, перпендикулярном оси реактора. Реактор полного вытеснения представлен на рис. 6.2 [3].

В режиме поршневого потока при постоянной скорости каждый элементарный объем жидкой фазы движется вдоль трубчатого реактора без какого-либо взаимодействия с соседними объемами. Система сегрегирована (от лат. segregare — отделять). Каждый элемент системы ведет себя как реактор периодического действия. Исходная смесь в реакторе перио-

92

дического действия имеет тот же состав, что и смесь, подаваемая в реактор полного вытеснения.

Если среднее время пребывания L/è в последнем равно времени

реакции в реакторе периодического действия, то вытекающая из труб- чатого реактора масса будет идентична по составу продукта в реакторе периодического действия.

ТРПВ обеспечивает более высокую степень превращения субстрата на выходе из реактора по сравнению с ПРПП равного объема. Недостатком ТРПВ является необходимость непрерывно вносить посевной материал, и возникают затруднения технического характера при осуществлении газового обмена, что приводит на практике к более выгодному применению аналогичных реакторов периодического действия.

Реакторы с неидеальным перемешиванием. Идеальные реакторы

ñполным перемешиванием и трубчатые не всегда пригодны для использования в промышленных условиях. Они необходимы в лабораторных мелкомасштабных экспериментальных исследованиях. Типичные отклонения от идеального режима в реакторах с неидеальным перемешиванием проявляются в виде определенных зависимостей и характеристик реактора. Эти зависимости можно оценить, построив соответствующие модели, которые отражают различные типичные отклонения от системы

ñидеальным перемешиванием.

93

единицы от общего объема реактора. В свою очередь, содержимое зоны 1 обменивается с застойной зоной 2 с объемной скоростью F. Если допустить, что кинетика данного процесса подчиняется уравнению Моно с постоянным экономическим коэффициентом, то стационарное состояние в этой системе можно описать уравнениями материального баланса [3].

Модели, построенные на основе идеальных реакторов, называют комбинированными или смешанными. Такие модели являются инструментом для теоретического изучения структуры течений и перемешивания в реакторе; служат основой для расчета неидеального реактора, а также конструирования лабораторных реакторов с целью изучения эффектов, вызываемых отклонениями от идеального режима в аппаратах большого объема.

Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора. Работа такого реактора определяется в основном свойствами применяющихся биокатализаторов. Обычно применяются катализаторы на основе иммобилизованных (лат. immobilis — неподвижный) клеток. Преимущества этих клеток связаны с возможностью достижения большей плотности клеток

âкультуре по сравнению с суспендированными клеточными системами.

Âбиореакторах периодического действия использование иммобилизованных клеток имеет ряд преимуществ:

– растут только в том случае, если связаны с поверхностью носителя — это обязательное условие их иммобилизации;

– могут использоваться для создания специфических электродов, предназначенных для определения концентрации питательных веществ, метаболитов, лекарственных препаратов, токсических веществ;

– появляется возможность для осуществления непрерывного процесса окисления вещества без вымывания микроорганизмов и изменения их генетической природы, а также в некоторых случаях непрерывного отделения продуктов и ингибирующих веществ.

Применение иммобилизованных клеток в биореакторе непрерывного действия позволяет расширить временной диапазон, в течение которого иммобилизованные клетки проявляют свои каталитические свойства. Катализаторы на основе этих клеток могут быть нескольких типов, в зависимости от того, какая часть метаболитического аппарата клетки сохранила свою активность в данном процессе.

Конструкция реактора с неподвижным слоем биокатализатора представляет колонну с насадкой иммобилизованного катализатора. В таких реакторах с помощью иммобилизованных ферментов осуществляют

94

изомеризацию глюкозы, частичный селективный (лат. selectio — выбор, отбор, избирательность) гидролиз пенициллина. В основу реактора с неподвижным слоем биокатализатора положена модель реактора полного вытеснения, модифицированная с учетом влияния каталитической насадки на структуру течений и кинетику реакций.

Биореакторы типа барботажных колонн. К биореакторам такого типа относятся реакторы с большим отношением высоты к диаметру. Они имеют форму колонны или башни, а перемешивание в них осуществляется за счет восходящего потока газа, подаваемого в реактор под давлением.

Реакторы такого типа широко используются в химической промышленности благодаря относительно малым затратам на их изготовление и монтаж, простоте конструкции, невысокому расходу энергии

âпроцессе эксплуатации. В промышленности, связанной с использованием биологических процессов, башенные реакторы широко используются в производстве пива и винного уксуса. Близкие по конструкции башенные реакторы входят в состав крупномасштабных установок, предназначенных для культивирования микроорганизмов в производстве белка одноклеточных организмов (БОО), используемого в качестве корма для скота.

Âразработанных сравнительно недавно эрлифтовых реакторах рециркуляция жидкой фазы осуществляется с помощью наружного устройства. Рециркуляционное устройство способствует формированию устой- чивой структуры течений и достижению определенных характеристик перемешивания в реакторе. Малый размер пузырьков по всей высоте колонны, обеспечиваемый ситчатыми тарелками, способствует увеличе- нию площади контакта между газовой и жидкой фазами. Схема реактора колонного типа с рециркуляционным устройством и с параллельными потоками газовой и жидкой фаз (биореактор эрлифтового типа) представлена на рис. 6.4 [3].

Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора. Процессы

âпсевдоожиженном слое катализатора осуществляют в реакторах колонного типа, в которых появляется твердая фаза. Поток жидкости в таком реакторе направлен снизу вверх по высокому вертикальному цилиндру. Частицы нерастворимого биокатализатора (скопление микроорганизмов, частицы иммобилизованных ферментов или клеток) суспендируются, увлекаемые восходящим потоком жидкости. Вовлеченные в поток частицы катализатора в верхней расширяющейся части реактора прекращают

95

Рис. 6.4. Схема реактора колонного типа с барботажем и рециркуляцией: G — газовая фаза; L — жидкая фаза

подъем и затем вновь поступают в башню. За счет тщательного подбора режима работы реактора с учетом характеристик микроорганизмов биокатализатор удается удержать в реакторе, несмотря на то, что через реактор непрерывно протекает среда.

Âферментерах башенного типа, используемых в непрерывных процессах пивоварения, создается определенный градиент концентрации дрожжевых клеток по высоте башни. Вблизи дна реактора концентрация микроорганизмов (определяется по отношению массы влажного осадка, образующегося после центрифугирования и отделения супернатантной (суспензированной), к массе бульона) может достигать 35 %, а в верхней части башни этот параметр снижается до 5–10 %.

Âзависимости от высоты в реакторе постепенно изменяются и характеристики среды. Вблизи зоны поступления исходных питательных веществ превращениям подвергаются, прежде всего, легко ферментируемые сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза, частично мальтоза), что

96

приводит к снижению плотности среды. В средней и верхней зонах башни скопления дрожжевых клеток трансформируют мальтотриозу и частично мальтозу. Такой процесс характеризуется быстрым расщеплением субстрата в начальной стадии и последующими более медленными реакциями с участием менее трудно деструктируемых субстратов.

Реакторы с неподвижным слоем катализатора и струйным тече- нием жидкости. Реактор представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора и подвижных газовой и жидкой фаз.

На работу таких реакторов существенно влияет физическое состояние газожидкостного потока, проходящего через неподвижный слой катализатора.

Êчислу важнейших характеристик таких реакторов и содержащихся

âних систем относятся: площадь поверхности катализатора; эффективность смачивания катализатора подвижной жидкой фазой; структура те- чений газожидкостной смеси; массоперенос ограниченно растворимых реагентов из газовой в жидкую фазу; массоперенос реагентов к поверхности катализатора; в случае пористого или проницаемого катализатора — диффузия реагентов к каталитическим центрам, находящимся внутри частиц катализатора.

Одной из первых областей применения биореакторов с насадкой и струйным течением жидкости является обработка сточных вод с помощью биологических капельных фильтров, в которых вращающееся распределительное устройство разбрызгивает поток жидких отходов по кольцевому слою гравия, на котором находится пленка микроорганизмов. Жидкость стекает через неподвижный слой в почти ламинарном режиме, а воздух поднимается через слой катализатора благодаря естественной конвекции за счет выделяющейся в микробиологическом процессе теплоты. Аналогичный принцип лежит в основе традиционного способа производства винного уксуса (биологического окисления этанола до уксусной кислоты), гидрокрекинга и гидроочистки в нефтеперерабатывающей промышленности и других многофазных процессов.

Вопросы для самоконтроля

1.Что означает термин «биотехнология»?

2.Что является целью изучения биотехнологии и какие задачи она решает?

97

Глава 7 ТЕХНОЛОГИЯ

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

7.1. Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств

Продукты биотехнологии получают по индивидуальным технологиям, отличающимся специфичными биологическими агентами, сырьем, числом стадий производства, технологическими режимами.

Обобщенная типовая схема биотехнологических производств состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпевает определенные технологические воздействия и последовательное превращение в сложные полупродукты и конечные продукты. Общий вид такой типовой схемы представлен на рис. 7.1 [19].

Для получения представления о практических аспектах, связанных с промышленным применением микроорганизмов, необходимо изучить вопросы эксплуатации биореакторов и происходящие в них процессы. Схема важнейших этапов типичного микробиологического процесса представлена на рис. 7.2 [3].

7.2.Основные этапы и операции подготовительного аэробного микробиологического процесса.

Подбор состава среды

При подборе состава среды для микробиологического процесса следует принимать во внимание множество факторов. Один из них связан со стехиометрией клеточного роста и количеством биомассы, которое хотели бы получить по завершении процесса. Основой любых расчетов является простой материальный баланс, связанный с превращением в процессе клеточного роста низкомолекулярных и неорганических соединений, например глюкозы и аммиака, в биомассу. Для синтеза заданного

99

Рис. 7.1. Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств

количества биомассы (продукта процесса) в систему необходимо ввести достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном соотношении. Расчет требуемого количества различных субстратов проводится на основании элементарного состава конечных продуктов (биомассы). Примеры элементного состава ряда микроорганизмов приведены в табл. 7.1, 7.2 [2, 3].

100