3. Аппараты с циркуляционным перемешиванием.

Биореакторы циркуляционного (гидродинамического) типа содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Жидкость увлекает за собой пузырьки газа. Существуют биореакторы, сочетающие пневматическое и циркуляционное перемешивание, когда насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером.

Принцип работы аппарата типа «падающей струи»: культуральная жидкость по трубе, соединяющей дно реактора с его верхней частью, подается с помощью насоса в сопла на крыше аппарата. Пузырьки воздуха захватываются жидкостью, струящейся сверху вниз, в полости биореактора (рис. 49).

Рис. 49. Циркуляционный биореактор (принцип «падающей струи») для получения биогаза: 1 – насос; 2 – частицы твердой насадки

Принцип работы аппарата типа «погруженной струи»: насос перекачивает культуральную жидкость сверху вниз по внешней трубе, и она попадает внутрь реактора через сопло в дне аппарата. Воздух подсасывается через эжекторы в стенках внешней трубы.

Для биотехнологических процессов, требующих интенсивной аэрации или подачи различных малорастворимых газов, существует реактор, в котором газ подается вместе с жидкостью через специальный эжектор наверху аппарата. Газ и жидкость перемещаются вниз по диффузору и далее вверх по простенку между диффузором и стенкой биореактора. Таким образом, в аппарате обеспечивается высокоэффективная массопередача между газом и жидкостью.

Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой). Эти частицы улучшают перемешивание в биореакторе, при длительном непрерывном культивировании препятствуют обрастанию его стенок, способствуют диспергированию воздуха в жидкости. В качестве насадки используют песок, куски обожженной глины, гранулы полимерных материалов. Прикрепление к твердой поверхности стимулирует развитие многих организмов, в частности грибов и актиномицетов.

Таким образом, по способам перемешивания и аэрации различают биореакторы трех основных типов, каждый из которых допускает многообразные варианты. Выбор конкретного типа и варианта биореактора должен производиться не только в зависимости от экономичности системы аэрации, но и по всему массиву различных параметров. Эффективность аэрации может быть повышена с помощью переносчиков кислорода, добавленных в среду для выращивания клеток. Существуют различные механизмы действия таких переносчиков: а) переносчик принимает кислород при контакте с газовой фазой и отдает его в жидкую фазу; б) переносчик принимает кислород в жидкой фазе и отдает его при контакте с клеткой; в) переносчик принимает кислород из газовой фазы и отдает его непосредственно клетке.

Системы теплообмена, пеногашения и стерилизации биореакторов

Система теплообмена. Теплообмен достигается с помощью труб с охлаждающим или нагревающим агентом, оплетающих корпус аппарата или пропущенных непосредственно через его полость. Внутренние трубы скручивают в виде змеевиков, которые, контактируя с культуральной жидкостью, обеспечивают более эффективный теплообмен, чем внешняя рубашка. Внутренние трубы размещают в отражательных перегородках, или проводят через определенный участок внешней циркуляционной трубы реактора, чтобы максимально уменьшить помехи для перемешивания и аэрации. В качестве охлаждающего агента используют воду с низкой температурой (артезианскую или пропущенную через холодильную установку), для более глубокого охлаждения – этиленгликоль, фреоны. Нагревающим агентом служит горячая вода или пар.

Система пеногашения. Пеногашение – это средство борьбы с избыточным пенообразованием. Различают химические, механические, акустические и др. виды пеногасителей. Наиболее часто применяются два первых типа пеногасителей, или их комбинация.

Химические пеногасители – это поверхностно-активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей воздуха, становятся центрами их неустойчивости. Пеногасящие вещества различаются по своей эффективности, которую можно оценивать по уменьшению слоя пены при заданной концентрации пеногасителя. Остатки пенного слоя устраняются с большим трудом и требуют большого расхода пеногасителя. На практике пену удаляют лишь частично, до определенного приемлемого уровня.

Эффективные химические пеногасители: растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное масла), животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Преимущество жиров – в совмещении ими двух функций: они гасят пену и одновременно служат ценными субстратами. Широко используемыми синтетическими пеногасителями являются силиконовые масла, полимерные многоатомные спирты и полиэфиры.

Механические пеногасители включают различные устройства, сбивающие пену: лопасти, диски, барабаны, расположенные в верхней части биореактора.

В целях экономии энергозатрат используют совместно механические и химические пеногасители.

Система стерилизации. Конструкция и механизм действия системы стерилизации зависят от метода стерилизации биореактора, вспомогательного оборудования, питательных сред и воздуха (таблица 5).

Наибольшее значение имеют термический метод для стерилизации оборудования и сред и фильтрационный – для удаления микроорганизмов из вводимого в биореактор воздуха или другого газа. Эффективность и быстрота уничтожения микрофлоры возрастают по мере повышения температуры. Высокая температура нагревающего агента (пара, витков спирали электронагревателя) обеспечивает быструю гибель термоустойчивых бактериальных спор, которые часто попадают в «островки теплоизоляции» - глыбки твердых субстратов, густые суспензии высокомолекулярных соединений и т.д.

Однако по мере повышения температуры возрастают энергозатраты на стерилизацию, усиливается отрицательное влияние нагревания на качество сред. Поэтому выбор температуры должен быть оптимальным.

Таблица 5

Основные методы стерилизации оборудования, питательных сред и воздуха (по К.Г.Федосееву, 1977; R.S.Conway, 1984; T. Leahy et al., 1984; B.Sikyta, 1984; S.Prentis, 1984)

Метод	Краткая характеристика	Область применения
Термический:	Нагревание объекта стерилизации на время, достаточное для гибели всей микробной популяции	Основной метод стерилизации биореакторов, питательных сред и добавок, вспомогательного оборудования и фильтров для стерилизации воздуха
- острым паром	Пропускание струи пара под высоким давлением в аппарат с питательной средой с помощью барботера или парового инжектора	Стерилизация аппаратов и сред
- глухим паром	Пар изолирован от стерилизуемых сред металлическими стенками (например, пар пропускают по змеевику)	Стерилизация некоторых питательных сред или их компонентов (например, масел)
- паром, генерируемым в самом сосуде, подлежащем стерилизации	Используют электронагреватели, вводимые в стерилизуемый объем	Стерилизация биореакторов и сред, если последние не пригорают к нагревателю
- в автоклаве	Стерилизуемые материалы вносят в автоклав – аппарат, где вода доводится до кипения при повышенном давлении	Стерилизация некоторых лабораторных биореакторов, небольших объемов жидкости, мелких элементов вспомогательного оборудования
Химический	Применяют химические дезинфицирующие агенты (ß-пропиолактон, окись этилена, окись пропилена), самопроизвольно разлагающиеся в воде без образования токсических продуктов	Стерилизация питательных сред для лабораторных биореакторов
Фильтрационный	Пропускание газов/жидкостей через мелкопористые или волокнистые фильтры, задерживающие микроорганизмы	Стерилизация поступающего в биореактор воздуха/газа, в меньшей степени используют как мягкий метод стерилизации жидких сред без взвесей
Радиационный	Обработка УФ и радиоактивными излучениями	Не получил распространения

Кроме того, нагревание вызывает химические превращения компонентов питательных сред. При 100°С и выше карбонильные группы сахаров взаимодействуют с ионами аммония или с аминогруппами аминокислот и белков. В результате образуются неусваиваемые клетками продукты. Поэтому в некоторых случаях необходима раздельная стерилизация компонентов питательной среды.

Иногда проведение термической стерилизации невозможно (из-за разложения некоторых веществ, например, витаминов), поэтому применяют химические дезинфицирующие средства или фильтрацию жидкостей.

Использование фильтрационного метода для стерилизации жидких сред вызывает неудобства, т.к. фильтры быстро забиваются клетками микроорганизмов и другими взвешенными частицами. При фильтрации воздуха или другого газа обычно не требуется частая смена фильтров, т.к. содержание взвешенных частиц в них значительно меньше, чем в жидких средах.

Таким образом, важными составными частями современных биореакторов служат системы теплообмена, пеногашения и стерилизации. Однако системы должны работать в наиболее оптимальной области соответствующих параметров. Один из путей к оптимизации режимов их функционирования основан на отработке этих режимов не непосредственно в промышленных аппаратах, а в биореакторах уменьшенного масштаба – лабораторных и пилотных.