2.1 Классификация биореакторов и расчет их производительности.

Любую систему, у которой существует ограничивающая ее поверхность, и в которой протекают биохимические реакции, можно назвать биореактором.

Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов или различные химические превращения.

Промышленные биореакторы могут работать в:

• периодическом режиме;

• периодическом режиме с доливом субстрата;

• полунепрерывном (полупериодическом) режиме;

• непрерывном (проточном) режимах.

Исторически в промышленности утвердился периодический способ работы при осуществлении химических превращений и полунепрерывный – при получении микробной биомассы. В последнее время для химических превращений стали применять реакторы с периодическим режимом и с доливом субстрата, а для получения микробной биомассы реакторы, работающие в непрерывном проточном режиме. Традиционно биореакторы, работающие в непрерывном проточном режиме,, использовались в промышленном масштабе только для аэробной переработки сточных вод и отходов, а также при производстве уксуса.

Детальный анализ некоторых потенциальных режимов работы биореакторов указывает на превосходство проточного непрерывного режима по сравнению с периодическими режимами работы.

При работе по периодическому режиму в реактор загружают все необходимые компоненты, ведут процесс до конца и затем собирают конечный продукт.

Периодический режим с добавлением субстрата предусматривает периодическое или непрерывное введение субстрата без удаления конечного продукта, который собирают только по завершению процесса.

При полунепрерывном ведении процесса, который также называют полупериодическим, по завершении начальной стадии в периодическом режиме наполовину опорожняют, чтобы частично собрать продукт, а затем снова заполняют таким же объемом свежей среды, и доводят процесс до конца; а затем снова осуществляют ту же последовательность операций. Подобный подход направлен на лучшее использование производственной установки.

Сравним производительность реактора, работающего в периодическом и непрерывном проточном, с идеальным перемешиванием, режимах.

Периодический процесс включает несколько этапов:

• подготовительный, начальный период,

• фазу экспоненциального роста,

• период удаления продукта.

С точки зрения производительности реактора важен только период экспоненциального роста. Время, необходимое для завершения цикла t_γ можно представить как сумму продуктивного времени t и общего непродуктивного времени t_н , т.е.:

t_γ = t + t_н (**)

Из уравнения (1), имея в виду, что для экспоненциального роста µ=µ_m, получаем:

T = ln (***)

Подставив выражение (***) в уравнение (**), получим:

t_γ = ln + t_{н .}

Для периодического процесса общая продуктивность равна суммарной продукции, деленной на полное время цикла, т.е. исходя из формулы (2), суммарная продукция может быть определена из следующего уравнения:

(x- x_о) = Υx/s/s_о

_.

Таким образом, производительность периодического процесса, определяется из следующего уравнения:

Р_н = _.

Производительность реактора, работающего в непрерывном проточном режиме:

Р_н = ΔΎ_х/s (s_о- ŝ), где

ΔΎ_х/s – коэффициент выхода биомассы;

s_о - концентрация субстрата в свежей среде;

ŝ – остаточная концентрация лимитирующего субстрата.

Если ŝ << sо, следовательно, Рн = Д Ύ_х/s s_о

Таким образом, эффективность непрерывного процесса в сравнении с периодическим, оценивается исходя из выражения:

_{= .}(3)

В реакторе, работающем в проточном непрерывном режиме с полным перемешиванием, максимальная скорость разбавления равна Д=, но для избежания нестабильности скорость разбавления поддерживают на уровне 0,8, следовательно, выражение (3) видоизменится:

_{= .}

Выделяют два типа реакторов непрерывного проточного действия: реакторы с идеальным перемешиванием и проточные биореакторы в режиме полного вытеснения (реакторы поршневого типа).

Биореакторы с идеальным перемешиванием могут работать как хемостаты или как турбидостаты.

Хемостатный и турбидостатный режимы культивирования.

При хемостатном режиме культивирования в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, один из компонентов которой, чаще всего кислород, поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры. В этом случае реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы, автоматически удовлетворяющей равенству:

m = Д, где

m - удельная скорость роста клеток;

Д – коэффициент разбавления (или скорость уменьшения концентрации клеток).

Если первоначально скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то происходит разбавление культуры свежей средой, что ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост клеток, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается.

Как только m превысит Д, в реакторе начинает концентрироваться биомасса, при этом увеличивающаяся популяция клеток все активнее «выедает» субстрат, следовательно, его концентрация уменьшается, что в свою очередь, ведет к торможению роста культуры.

В конечном итоге, после серии затухающих колебаний скорость роста культуры становится равной скорости разбавления.

Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Он включает:

1. устройство для подачи питательной среды;

2. выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости с клетками;

3. систему контроля скорости потока.

Один из простейших вариантов хемостата содержит насос, постоянно нагнетающий питательную среду в биореактор, и выпускную трубу, по которой жидкость из биореактора вытекает, как только ее уровень поднимается выше горловины этой трубы.

Альтернативный вариант – выпускная труба входит в полость биореактора сверху, и нижний обрез ее горловины соответствует уровню, выше которого жидкость не должна подниматься. Если этот уровень повышен, избыток культуральной среды с клетками отсасывается насосом, подсоединенным к выпускной трубе.

Более точный, но в то же время и более дорогостоящий метод контроля за уровнем жидкости в биореакторе основан на взвешивании ферментера, помещенного на специальную платформу: превышение допустимой массы свидетельствует о подъеме жидкости выше разрешенного уровня, что приводит к автоматическому включению системы откачивания жидкости.

Используют также радиоактивный контроль за уровнем жидкости в биореакторе: изотоп, помещенный на определенной высоте над дном аппарата, испускает радиоактивное излучение, которое в разной степени поглощается водной и воздушной средой. По интенсивности излучения, регистрируемого приемником, судят о высоте подъема жидкости.

В последние годы все большее применение находят фотоэлектронные устройства для контроля уровня жидкости в хемостате.

Турбидостатный режим культивирования основан на прямом контроле концентрации биомассы. Наиболее распространено измерение светорассеяния содержимого биореактора с помощью фотоэлемента. Сигнал от фотоэлемента управляет скоростью потока жидкости, в свою очередь определяющего скорость роста культуры. Повышение концентрации клеток и соответственно светорассеяния автоматически приводят к ускорению протока жидкости, разбавляющей культуру, и наоборот, убыль биомассы компенсируется замедлением притока.

Концентрация клеток может оцениваться также по косвенным критериям (по измерению рН, убыли субстрата или накоплению продуктов жизнедеятельности).

По своей конструкции турбидостат отличается от хемостата лишь системой контроля скорости потока. Хемостаты и турбидостаты эффективно действуют при различных скоростях разбавления культуры.

Хемостатный режим успешно применяется при малом потоке, когда концентрация клеток меняется незначительно с изменением его скорости, что облегчает саморегулирование системы.

Область функционирования турбидостата – высокие скорости разбавления, при этом происходит быстрое и резкое изменение концентрации биомассы в ответ на изменение скорости протока. Это обеспечивает своевременное срабатывание фотоэлемента или другого датчика, управляющего скоростью протока жидкости через турбидостат. С технической точки зрения турбидостат может быть применен лишь для одноклеточных организмов. При длительном культивировании биообъекта в турбидостате возникает серьезная проблема, связанная с прилипанием клеток к фотоэлементу. При засеве смешанной культуры в турбидостате автоматически отбирается наиболее быстрорастущий вид. Это является преимуществом турбидостатного метода, в определенной степени предохраняющим культуру микроорганизма от заражения посторонней микрофлорой. Такой принцип использован для селекции антибиотикоустойчивых организмов.

В промышленности, как правило, применяются реакторы, работающие в режиме хемостата.

Для описания потока в проточном реакторе непрерывного действия удобнее всего использовать распределение частиц, проходящих через реактор, во времени их пребывания в реакторе. В случае проточного реактора полного вытеснения все элементы жидкости проходят через реактор строго упорядоченно, так, что любой данный элемент ни как не перемешивается с элементами, поступающими в реактор до или после него, т.е. отсутствует осевое перемешивание, следовательно, для стационарного состояния проточного реактора с полным вытеснением все порции жидкости, поступающего в реактор, находятся в нем одинаковое время.

Среднее время пребывания:

Τ = , (4)

где V – объем реактора;

F - объемный поток жидкости, поступающий в реактор и вытекающий из него.

Содержимое проточного реактора непрерывного действия с идеальным перемешиванием является полностью однородным, а потому его состав идентичен составу вытекающему из реактора. Питательные вещества, поступающие в реактор, немедленно перемешиваются с его содержимым и находятся в реакторе разное время, но среднее время пребывания для такого реактора определяется тем же соотношением (4).

Уравнение материального баланса для биореактора, работающего в проточном режиме с идеальным перемешиванием без рецикла, т.е. обычного хемостата, где продуктом является только микробная биомасса:

Для микробной биомассы:

Накопление = Рост – Удаление.

Для лимитирующего субстрата:

Накопление = Поступление – Удаление – Использование.

Производительность системы:

Р_н = Дх, где

Х – концентрация микробной биомассы;

Д – скорость разбавления.

Уравнение материального баланса для системы проточного реактора непрерывного действия с полным перемешиванием, единственным продуктом которого является микробная биомасса; в таком реакторе для интенсификации процесса часть концентрированной микробной биомассы используется повторно, поступая из сепаратора, расположенного на выходе из реактора (это может быть седиментационный бак или отстойник; центрифуга или система ультрафильтрации).

Скорость разбавления

Д= F/V, где

F – поток жидкости через систему в целом;

V – постоянный объем жидкости в биореакторе.

Поток выходящий из биореактора:

F_s = F + α*F_s или F_s = F*(1-α), где

Α – доля вытекающего из реактора содержимого, которая используется повторно.

Уравнение материального баланса по биомассе:

Накопление = Рост – Удаление + Повторное использование.

Уравнение материального баланса по лимитирующему субстрату:

Накопление = Поступление + Повторное использование – Удаление – Расходование

.

Для определения концентрации микробной биомассы в осветленном потоке, вытекающем из сепаратора, нужно найти уравнение материального баланса по биомассе в сепараторе, исходя из предположения, что сепаратор работает в стационарном режиме, т.е. биомасса в нем не накапливается. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

Поступление = Повторное использование + Концентрированные отходы + Осветленные отходы.

Если реактор работает в стационарном режиме, то его производительность по биомассе определяется по формуле:

Рп = Д*х*(1-а*ġ)/(1-а)

Рассмотрим работу проточного биореактора, работающего в режиме полного вытеснения. В этом случае в каждом малом элементе жидкости dv, проходящем через биореактор, преобладает в основном экспоненциальный рост (μ=μ_м). Рост биомассы в таком биореакторе без рецикла описывается уравнением:

ln x = lnx₀+μ_m*t,

где х₀ - концентрация биомассы в среде, поступающей в биореактор;

х - концентрация в момент времени t;

g – увеличение концентрации биомассы.

Самым лучшим приближением к реактору с полным вытеснением является каскад последовательных реакторов с идеальным перемешиванием без дополнительных поступлений питательных веществ, но для этого число биореакторов, составляющих такой каскад, должно быть бесконечным. Неидеальный поток с полным вытеснением можно получить, лишь, когда работает более 6 последовательных биореакторов.