Системы перемешивания и аэрации

По способу перемешивания и аэрации существует несколько классификаций биореакторов. Однако более удобной, с точки зрения конструкции, является классификация на аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием (по B.Sikyta, 1984г.).

1. Аппараты с механическим перемешиванием.

Биореакторы данного типа имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей (6, реже 8) различной формы (прямых или изогнутых) (рис. 47).

Рис. 47. Различные формы мешалок

При этом эффективное перемешивание жидкости в больших объемах обеспечивается только в том случае, если мешалки многоярусны, лопасти расположены в несколько этажей. Кроме того, к внутренним стенкам реактора прикрепляются отражательные перегородки – узкие металлические пластины. Они предотвращают возникновение водоворота вокруг вращающейся мешалки, переводя круговое движение жидкости в вихревое, равномерно распределенное по всему объему. Для выращивания грибов используют мешалки с плоскими лопастями, не разрывающие мицелий. Очень нежное, медленное перемешивание производится в аппаратах, предназначенных для культивирования клеток животных и растений.

Аэрация может осуществляться путем барботажа – подачи воздуха снизу через барботер, горизонтальную трубку с отверстиями (щелями). Около барботера устанавливают механический вибратор, который способствует разбрызгиванию воздуха (или другого аэрирующего газа) в виде мелких пузырьков. Существуют аппараты, где единственным устройством для перемешивания жидкости является вибратор, совершающий вертикальные колебания с амплитудой 0,1 – 3 мм и частотой 50 Гц. Такая система обеспечивает высокий уровень асептики, низкие энергозатраты и сравнительно мало травмирует культивируемые клетки.

В некоторых аппаратах используется полая мешалка, воздух попадает в среду культивирования через нижний конец ее вала и полые лопасти. В таких аппаратах часто непосредственно над лопастями аэрирующей мешалки устанавливают диффузор – открытый снизу и сверху цилиндр, который делит объем биореактора на два отсека – внутренний и внешний по отношению к стенкам диффузора. Диффузор усиливает разрежение, создаваемое при вращении мешалки в верхней части аппарата, где поверхность жидкости приобретает вид глубоко вогнутого мениска, и тем самым способствует дополнительному подсосу воздуха сверху и циркуляции жидкости в вертикальной плоскости аппарата. Аппараты подобного типа широко применяются в производстве кормовых дрожжей, спирта и в других производствах с использованием дрожжей.

Аппараты с механическим перемешиванием – достаточно распространенная конструкция в современном биотехнологическом производстве.

2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.

В аппаратах пневматического типа мешалка отсутствует, перемешивание жидкости осуществляется пузырьками газа. Простейший аппарат подобного типа – барботажная камера, в которой распыленный барботером воздух, поднимаясь снизу вверх, перемешивает культивационную среду. Скорость массопередачи между газом и жидкостью в таком аппарате намного ниже, чем в аппаратах с механическим перемешиванием. Для преодоления этого недостатка вводятся модификации, например, устанавливают вблизи барботера вращающиеся диски с отверстиями или придонные пропеллеры.

В качестве примера можно рассмотреть принцип работы классического эрлифтного (air lift – подъем воздуха) аппарата, дополненного диффузором, нижний обрез которого находится непосредственно над барботером (рис. 48). Столб жидкости внутри диффузора разбивается пузырьками воздуха, плотность ее уменьшается, а объем увеличивается. Жидкость переливается через верхний край диффузора вниз, что приводит к перемешиванию и аэрации объема реактора вне диффузора. Существуют и другие варианты такого аппарата.

Рис.48. Эрлифтный биореактор:стрелки – движение жидкости; 1 – диффузор; 2 – барботер

На пневматическом перемешивании основаны многие колоночные биореакторы, разделенные горизонтальными перегородками на этажи. Перегородки имеют узкие отверстия, основное назначение которых – интенсификация аэрации и перемешивания, а так же борьба с укрупнением газовых пузырьков по мере их продвижения вверх.

Для пневматических биореакторов характерно плавное перемешивание жидкости, поэтому их широко используют при культивировании клеток животных и растений. Кроме того, для них характерны простота конструкции и малые энергозатраты.