Глава 7.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ВООРУЖЕННОСТЬ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

В большинстве случаев биотехнологические процессы рассчитаны на использование живых клеток и тканей различного происхождения, и даже в инженерной энзимологии применение молеклул ферментов сопряжено с рядом ограничений, присущих

288

живым клеткам или тканям. К их числу относят поддержание оптимальных температуры (достаточно низкой), рН, стерильности, концентрации растворенного кислорода (в случаях эксплуатации биообъектов — аэрофилов). Микробные клетки, за редким исклю- чением (например, микоплазмы), и клетки растений имеют кле- точную стенку , которой не обладают клетки животных организ- мов; вирусы как организованные частицы реплицируются и пара- зитируют на живых культурах клеток или в тканях, поэтому отмеченные выше ограничения относятся больше к этим послед- ним, а не к вирусным частицам. Наличие клеточной стенки у биообъекта заведомо обеспечивает ему более высокую устойчи- вость в различных условиях существования, чем биообъектам, лишенным клеточной стенки. Даже при большой густоте, напри- мер, бактерий, они активно размножаются, если им обеспечива- ются достаточные пищевые потребности.

Вирусам — как облигатным паразитам — присуща еще и весьма высокая специфичность применительно к организмам-хозяевам (вирусы бактерий, грибов, растений, животных) и, даже тканям (вирусы бешенства и полиомиелита—в отношении нервной ткани, вирус оспы — в отношении кожи, аденовирусы — в отношении железистой ткани).

Таким образом, особенности биообъектов обусловливают сле- дующие принципы технического оснащения биопроизводств:

1. конструкционное совершенство и относительная универсаль- ность биореакторов;

1. инертность, или коррозионная стойкость материалов биоре- акторов и другого технологического оборудования, вмещающих биообъект или контактирующих с ним или продуктами его мета- болизма;

2. эксплуатационная надежность технологического оборудова- ния;

3. доступность, эстетичность и легкость обслуживания, замены, смазки, чистки, обработки антисептиками или дезинфектантами узлов и соответствующих частей оборудования.

Эти принципы рассматриваются более подробно в самостоя- тельной научной дисциплине "Процессы и аппараты биотехноло- гии", или "Биоинженерия". В настоящем учебнике они изложены в объеме, необходимом для целостного восприятия общих и спе- циальных разделов биотехнологии, и данная глава, в основном, посвящена биореакторам. 10 т. 8524 289

Согласно первому принципу желательно конструировать такие биореакторы, которые можно использовать для реализации био- технологических процессов, основанных на использовании разных биообъектов (бактерий, грибов, клеток растений и млекопитаю- щих). Под совершенством и относительной универсальностью следует понимать возможность создания оптимальных условий культивирования разных биообъектов в одном и том же биореак- торе с автоматическим регулированием заданных параметров. Многоцелевые реакторы высоких стандартов изготавливает нидер- ладская фирма АБ1 (АррПкоп ОерепйаЫе 1п81штеп1;5). Они при- годны для флокулирующих организмов, иммобилизованных клеток (микробных, растительных, животных) в целях повышения выхода биомассы и достижения их выраженной продуктивности.

Чтобы обеспечить биореакторы компьютерным контролем, фирма А01 выпускает биопроцессор, с помощью которого обеспе- чивается полное регулирование заданных параметров в течение роста биообъекта (рис. 85).

Рис. 85. Многоцелевой биопроцессор АГЯ 1020 Рис. 86. Циклонный колон- с компьютерным контролем различных параметров ный ферментатор (схема), во время культивирования биообъектов.

Заманчивой представляется конструкция ферментатора в виде

циклонной колонны (рис. 86), создающей возможность проведения

периодических, непрерывных и фазовых ферментации, и обеспе-

290

чивающей новые подходы к оценке клеточных циклов и поведению самих клеток.

Поддержание заданных параметров — дело не простое, когда непрерывно изменяются условия культивирования биообъекта вследствие многокомпонентное™ исходной питательной среды и культуральной жидкости на заключительной стадии ферментации, изменения рН в процессе роста, размножения и развития биообъ- екта, сложности регуляторных механизмов при биосинтезе целе- вых продуктов, к тому же возможно — нестабильных, различный уровень структурно-функциональной дифференцировки акариот, прокариот и эукариот, и пр. Лишь при эксплуатации в колоннах иммобилизованных ферментов аппаратурное оформление техно- логических процессов существенно отличается от оформления процессов, когда используют, прежде всего, специальные биоре- акторы.

Второй принцип технического оснащения касается инертности материалов, используемых для изготовления биореакторов и дру- гого технологического оборудования. Это означает, что в процессе культивирования биообъекта как будто не будет происходить его взаимодействия (равно как и продуктов метаболизма) с металли- ческими и неметаллическими конструкциями, постоянно или вре- менно находящимися в контакте с ним.

Реально при выборе конструкционных материалов фермента- торов необходимо учитывать тот факт, что эти аппараты в процессе работы подвергаются механическим, химическим и физическим (тепловым) воздействиям. Стерилизацию ферментаторов осущест- вляют острым паром при 127—130^еС с последующим охлаждением до 24—28°С. В результате непрерывной аэрации культуральной жидкости внутренние поверхности аппаратов испытывают посто- янное окисляющее действие кислорода; кроме того, развитие продуцента сопровождается выделением в среду агрессивных ме- таболитов (например, органических кислот).

Весьма существенно также влияние на стенки аппарата интен- сивных тазожидкостных потоков, кавитации, вибрации; содержа- ние в среде абразивных примесей—частиц масла и муки — создает дополнительный истирающий эффект.

Для обеспечения стерильности необходима систематическая обработка аппарата моющими средствами и антисептиками (рас- творами триполифосфата, хлорамина, формалина).

Материалы, идущие на изготовление ферментационного обо-

291

рудования, должны быть химически стойкими и не подвергаться коррозии в течение длительного времени эксплуатации. Корро- зия (от лат. согго51оп — разъедание) — это процесс молекулярного разрушения материала (ограниченного — локального или распро- страненного) под воздействием внешних факторов. Коррозионные процессы можно подразделить на 3 большие группы: химическая, физическая (электрохимическая) и биологическая коррозии. Хи- мическая коррозия индуцируется сухими газами и жидкостями, неспособными проводить электрический ток. Физическая— (элек- трохимическая) коррозия имеет место в случаях возникновения местных электрических токов — гальванокоррозия, например, в конструкциях, где контактируют несколько металлов с разными электродными потенциалами (электролиты здесь особенно благо- приятны для протекания электрохимической коррозии). Возник- новение такой коррозии возможно даже при неоднородности одного и того же металла в случае его неравноценной обработки на отдельных участках.

Биологическая коррозия обусловливается биологическими объектами (бактериями, микромицетами и другими организмами). По. механизму развития биокоррозию можно отнести к химиче- ской. Однако наличие биообъекта в среде и на объекте коррозии привносит дополнительный фактор — клеточную биомассу (фак- тор обрастания «ли/и зарастания). Поэтому биокоррозия нередко сопрягается с биоповреждением. Биоповреждение — понятие более широкое, чем биокоррозия;

. биоповреждение

биокоррозия механическое

(химическая (физическое)

молекулярная повреждение

деструкция конструкции (аппарата,

материала) прибора, сооружения)

биообъектом

Коррозии подразделяют еще по средам, где они протекают: атмосферная,почвенная,водная;по распространенности — ограниченная и распространенная (поверхностные, сквозные); по локализации: ножевая (по сварным швам), межкристаллитна я, послойная.

Интенсивность коррозионных процессов оценивают в так на- зываемых массовом (К_т) и глубинном (Л) показателях. Первый из

292

них рассчитывают в случаях неравномерной коррозии, исходя из уменьшения массы материала, в кг на 1 м² поверхности за 1 час:

„ М1-М2

где М — масса материала до (М1) и после (М2) коррозии, 5 — поверхность материала (м²), ! — длительность коррозии в часах.

Глубинный показатель оценивают при равномерной коррозии по уменьшению толщины металл в мм за год:

_ Кп,-24-365-1000 _д

и — * ( р плотность металла, кгЛг). Исходя из

Р

оценочных показателей К_т и Б, выделяют группы стойкости металлов. Например, О более 10, металл оценивают баллом 9 и относят к разряду нестойких (группа VI); О менее 0,001, металл оценивают баллом 0 и относят к совершенно стойким (группа 1). Весьма стойкие и просто стойкие металлы характеризуются соот- ветственно следующими показателями: 0=0,001 —0,005 (1 балл) и 0,005 — 0,01 (2 балла) — II группа; 0=0,01—0,05 (3 балла) и 0,05—0,1 (4 балла) — III группа. Очевидно, что в различных средах стойкость одного и того же материала к коррозии различна.

В биотехнологии, где среды чаще не агрессивны, применяют обычные углеродистые стали с повышенной прочностью и выра- женной упругостью. Нержавеющая сталь сохраняет большую стой- кость в условиях атмосферной коррозии.

Крупнейшие отечественные заводы антибиотиков были осна- щены ферментаторами из углеродистой стали марки Ст-3. Однако по отношению к углеродистой стали культуральные жидкости оказались агрессивными. По данным ВНИИА скорость коррозии стали марки Ст-3 достигает 0,2—0,4 мм/год; по стандартной клас- сификации такой показатель соответствует 6 баллам, т. е. харак- теризует материал пониженной стойкости. При этом происходит не только уменьшение толщины стенок аппаратов, но возможно также появление раковин и каверн. Железо, попадая в среду, подавляет активность ферментов продуцента, угнетает биосинтез, инактивирует некоторые антибиотики.

Несмотря на коррозию, возможность использовать стальные ферментаторы обусловлена образованием на внутренних поверх- ностях аппаратов пассивирующей пленки, которая состоит из окислов железа и веществ, выделившихся из среды. Эта пленка замедляет коррозию.

Хорошо удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к

293

материалам для ферментационной аппаратуры, хромоникелевая нержавеющая сталь марки Х18Н10Т, которая содержит 0,01% углерода, 18% хрома, 10% никеля и менее 1% титана. Аппараты из этой стали долговечны, удобны в эксплуатации, "универсальны", то есть пригодны для производства любых антибиотиков, витами- нов, ферментов и других БАВ. Однако высоколегированная сталь очень дорога, поэтому ферментаторы вместимостью 32 м³ и более изготовляют из двухслойной стали: корпус — из Ст-3, внутренний тонкий слой — из хромо-никелевой стали.

Обычно кислотоустойчивые и нержавеющие стали — это спла- вы железа с хромом и легированные в целях улучшения их сопротивляемости молибденом, никелем, титаном, марганцем и другими элементами. Содержание углерода в них порядка 0,15%. Жаропрочные стали включают железо, хром, никель; их исполь- зуют для изготовления арматуры печей, муфелей, воздухоподогре- вателей. Вольфрам и молибден используют в качестве легирующих веществ.

В биотехнологии также широко применяют чугун, из которого делают компрессоры, поршневые кольца, рамы фильтрпрессов и др.; некоторые чугунные аппараты покрывают эмалью. Хром, никель, молибден — как легирующие элементы повышают жаро- стойкость и химическую стойкость чугуна. Такой чугун полезен, например, для изготовления отдельных частей барабанных суши- лок, работающих при повышенных температурах.

Различные конструкции, используемые во многих аппаратах, состоят из алюминия (или включают его). Этот металл быстро подвергается электрохимической коррозии, но вследствие легко образующейся окисной защитной пленки, дальнейшее разрушение алюминия прекращается. Продукты его коррозии неядовиты.

Стекло, полиэтилен, "пищевая" резина и другие полимерные материалы также широко используют в биотехнологических про- цессах.

Защиту материалов от коррозионных процессов осуществляют различными способами: применяют специальные ингибиторы хи- мической и биологической коррозии, катодную и протекторную защиту- от электрохимической коррозии.

Третий принцип технического оснащения биопроизводств ка- сается эксплуатационной надежности технологического оборудо- вания. Эта надежность обеспечивается соответствием аппаратов, приборов и другого оборудования целевому назначению, в част- ности, по конструкционному совершенству, полностью обеспечи-

294

вающему оптимальные условия для протекания технологического процесса и контроля за ним (в том числе, с учетом требований по технике безопасности). Лишь в подобных случаях достигают мак- симально возможной интенсивности работы оборудования, то есть его производительности, отнесенной к выбранной основной еди- нице, например, количество упаренной воды в расчете на 1 час и на 1 м² поверхности нагрева:

Оуу = —-—- , где Оиг — масса упаренной воды, V — масса воды

до упаривания (VI) и после упаривания (У2), 8 — поверхность нагрева (м²), I — время в часах.

Критерием оптимальности работы аппарата выступает себесто- имость продукции.

Интенсивность работы оборудования может быть повышена за счет автоматизации и замены периодических процессов непрерыв- ными, снижения энергоемкости аппаратов благодаря уменьшению расхода энергии на единицу сырья или конечного продукта.

Эксплуатационная надежность технологического оборудова- ния обеспечивается также стабильностью его работы в заданном режиме и временном интервале, при максимальном соответствии условий труда физическим и психическим возможностям людей, занятых в конкретном производстве (эргономика).

Рассмотренный третий принцип напрямую связан с экономи- кой биотехнологического процесса. Оборудование с высокими конструктивными и эксплуатационными показателями обеспечи- вает, как правило, и высокие экономические показатели.

Четвертый принцип технического оснащения биопроизводств касается эстетичности, легкости и удобства обслуживания, замены, смазки, чистки, обработки антисептиками или дезинфектантами узлов и соответствующих частей оборудования.

Любой прибор или аппарат, легко доступный для сборки и разборки, загрузки материалами, питательными средами и выгруз- ки, для чистки, мойки, смазки, ремонта и пр.; оценивается выше, чем оборудование с усложненным доступом к его частям.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной био- технологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. Применительно к фер- ментаторам различают следующие типы их: лабораторные емко- стью 0,5—100 л, пилотные емкостью 100л—10 м³, промышленные емкостью 10—100 м³ и более.

При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения ("ласкать глаз"). В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирую- щим в определенных рамках требований гигиены и санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т.. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточ- ные коммуникационные линии, в конечные продукты.

Техническую вооруженность биотехнологических процессов целесообразно условно ограничить аппаратурным оформлением производств, базирующихся на культивировании: 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканей растений, 3) клеток и тканей животных организмов и человека. Такое подразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращивают в однотипных биореакторах, имеющих почти однотипную обвязку, в которую входят: ферментатор, многокорпусный вентиль стерильный (для подачи питательной среды, посевного материала, подпитки и пр.), системы регулирования рН, 1°, подачи пеногасителя, система кон- троля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель.

Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как бактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значи- тельно дольше, чем большинство бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы в аппаратурное оформление соответст- вующих биотехнологических процессов.

Культуры клеток животных и человека, не имеющие клеточных стенок, являются более ранимыми и требовательными к условиям своего существования, чем клетки других эукариот и прокариот. Поэтому оборудование для них можно отнести к разряду "тихо- ходного", обеспечивающего нежное обращение с биообъектами.

Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения, например, когда возможно культивирование в глубинных условиях некоторых растительных клеток (суспензионная культура жень- шеня), используя ферментационное оборудование, рассчитанное на выращивание, например, бактерий или грибов.

К. Шюгерль в 1982 г. предложил подразделить биореакторы на 3 основные группы согласно способу потребления энергии для перемешивания и диспергирования стерильного воздуха (газа):

296

— в биореакторах I типа энергия расходуется на механическое движение внутренних устройств;

• в биореакторах II типа энергия расходуется на работу внешнего насоса, обеспечивающего рециркуляцию жидкости и/или газа;

• в биореакторах III типа энергия расходуется на сжатие и подачу газа в культуральную жидкость.

На рис. 87 схематично изображены некоторые из таких био- реакторов.

Рис. 87. Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии на механи- ческое движение внутренних устройств а — 1, 2, 3; с расходом энергии на работу насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б — 4; с расхо- дом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в — 5 (г — газ, ж — жидкая фаза, д — двигатель):

7.1. Аппаратурное оснащение микробиологических произ- водств. Человек с древнейших времен эмпирически применял .дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформ- лению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиков продвинуло дале- ко вперед проблему создания специальной аппаратуры для куль- тивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, анти- биотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соеди- нений). Были предложены различного типа биореакторы для вы- ращивания микроорганизмов, однако все конструкции фермента- торов (ферментеров) оставались в основном сходными по боль- шинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с под- водкой его (для аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них (рис. 88).

При расчете и конструировании биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов (рис. 89).

298

«Г Ю*10'

10° Ю

Рис. 89. Ориентировочное усреднен- ное время протекания биологических процессов у различных групп организ- мов (по Дж. Роуилсу, 1982): 1 — репли- кация хромосомы, 2 — продолжитель- ность клеточного цикла, 3 — бактерии, 4 — дрожжи, 5 — плесени, 6 — расти- тельные и животные клетки. 7 — эле- ментарные химические реакции, 8 — ₇ и" ^ _в ^ регуляция транскрипции, 9 — аллосте-

9 рическая регуляция белков, 10 — изме-

"* * нение концентрации ферментов, 11 —

"* возникновение мутантов.

Некоторые технические характеристики промышленного би- ореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в таблице 33.

Т а б л и ц а 33. Технические характеристики биореакторов

Характеристика

Показатели для аппаратов

промышленного на 100 м³

пилотного на 150 л лабораторного на 10 л

Внутренний диаметр, мм Высота, мм Рабочий объем, л Диаметр турбин, мм Число турбин

Число отбойников

Частота вращения вала

мешалки, об/мин

Мощность

электродвигателя

мешалки, кВт

Мощность

электродвигателя

пеногасителя, кВт

Максимальное

количество

отработанного

пеногасителем газа,

м³/мин

Частота вращения вала пеногасителя, об/мин