Биореакторы

Биореакторы

Классификация. Конструктивные особенности биореактора периодического действия

Биореакторы

Основная стадия биотехнологического производства культивирования биообъекта (микроорганизмы, клетки млекопитающих, клетки растений).

Культивирование может быть поверхностным и глубинным.

В настоящее время поверхностный способ культивирования применяется редко

Глубинный способ культивирования используется наиболее часто. При глубинном культивировании клетки выращивают в специальных аппаратах биореакторах (ферментаторах).

В настоящее время разработано большое число ферментаторов, которые различаются между собой по объему, конструкции, массообменным характеристикам и тд

Эти различия связаны с тем, что при конструировании ферментаторов необходимо учитывать факторы, характерные для того или иного процесса получения целевого продукта

В зависимости от этих факторов ферментаторы должны отвечать определенным требованиям

Факторы, обусловливающие конструктивные особенности ферментаторов

1. Специфические свойства субстратов

2. Морфологические и физиологические особенности культивируемых клеток

3. Способы культивирования

4. Физико-химические свойства ферментационных сред

Классификация биореакторов проводится по различным признакам, и признаки в большинстве совпадают с биотехнологическими процессами

Технологическая направленность

- биореаторы для культивирования живых организмов, внутри которых осуществляются биосинтетические процессы

- биокаталитические реакторы (происходит биологическая переработка сырья и участие биокатализаторов)

Пространственная организация процесса в рабочей среде

-Поверхностное культивирование

-Глубинное культивирование

Фазовый состав рабочих сред

-Твердофазное культивирование (биореакторы – растительные аппараты)

-Жидкофазное культивирование

Структура рабочего цикла

-Периодического действия

-Непрерывного действия (биореакторы идеального вытеснения, идеального смешения и промежуточного типа)

Способ ввода энергии

-В жидкую фазу

-В газовую фазу

-Комбинированный ввод

Также классифицируют

-биореакторы по условиям асептики (особенно для процессов, в которых необходимо поддерживать жесткие условия асептики)

Биореакторы должны быть надежно герметизированы, иметь возможность осуществлять эффективную стерилизацию внутреннего пространства всех прилегающих коммуникаций и тд

-биореакторы, в которых процессы не требует стерильных условий, т.е незащищенная ферментация

По условиям аэрации биореакторы могут предназначаться для культивирования аэробных культур, и тогда предусматривается система аэрации и для культивирования анаэробов, которые не нуждаются в растворенном кислороде

В нашей промышленности в основном используются аэробные продуценты и их культивирование осуществляется периодическим способом в стерильных условиях

Ферментаторы, предназначенные для такого культивирования должны отвечать следующим требованиям:

Для культивирования клеток используются биореакторы с комбинированным подводом энергии

В нем осуществляется механическое перемешивание и перемешивание за счет подачи воздуха

Данный ферментатор представляет собой цилиндрический аппарат со сферической крышкой и днищем

У аппаратов небольшого объема крышка съемная, большие цельносварные

Ферментаторы устанавливаются

- на лапах

-на опорах в виде юбки или стакана, чтобы между полом и днищем оставалось пространство

на данном чертеже в качестве таких опор выступает юбка

на этом слайде изображен эскиз ферментатора с основными конструктивными элементами, которые имеются в таких аппаратах

• ферментатор обязательно оснащен мотор-редуктором (электродвигателем, который приводит в движение вал перемешивающего устройства, то есть мешалки)

• обязательно имеется устройство для подачи воздуха это барботер под номером 4

• под номером 5отражательная перегородка

• труба передавливания ( ферментатор может иметь тубу передавливание,может быть не оснащен ею)

• обязательно в ферментаторе имеются теплообменные устройства ( это могут быть наружные теплообменные устройства 7 и 8), (также секционная рубашка или гладкая рубашка)

• внутренние теплообменное устройство (в данном случае это змеевик под номером 11)

• Ферментатор имеет опоры и может быть снабжен штуцером нижнего спуска и обязательно все ферментаторы, особенно большие имеют на крышке люк

при проектировании ферментаторов их емкость выбирается непроизвольно, а соответствии со стандартом на сосуды и аппараты

Изначально использовалась сталь, но оказалось при контакте с культуральными жидкостями – сильно корродирует и большая величина коррозии

Культуральная жидкость выделяет ионы железа, которые могут быть токсичными для продуцента и повышенное содержание

ионов железа может резко снизить выход целевого продукта 

для изготовления ферментаторов, которые используются на наших производствах, чтобы избежать коррозии ферментаторы изготовлены из нержавеющей стали и тд

Тк стоимость дорогая, то используют двухслойную сталь – биметаллические

Внутренний слой - хромоникелевая нержавеющая сталь, так называемая пищевая сталь, то есть именно из этого материала изготавливают оборудование для пищевой промышленности

и фармацевтической промышленности

лабораторные ферментаторы изготавливают в основном из

боросиликатного стекла, но небольшого диаметра

Промышленные и лабораторные ферментаторы (лабораторные имеют систему управления – системный блок)

Конструктивные элементы – отражательные перегородки

За счет турбулентного движения увеличивается эффективность перемешивания

Отражательная перегородка представляет собой металлическую перегородку

Перегородка устанавливается на расстоянии 5-10 миллиметров от стенки ферментаторов, чтобы между ребром перегородки и стенкой был зазор, это нужно для того, чтобы при движении

культуральной жидкости не образовывались в уголках застойные зоны

Конструктивный элемент ферментатора – система аэрации

выбор конструкции барботера обусловлен удобством эксплуатации и чистки его после ферментации (самый удобный –квадратный)

Диаметр барботера = диаметру мешалки (тк пузырьки воздуха, которые выходят из отверстия распределялись по всему объему)

вращение вала осуществляется электродвигателем

тангенциальное течение, при котором жидкость движется параллельно пути, описываемому концами лопастей мешалки - этот вид течения не обеспечивает равномерного перемешивания, он обычно преобразуется в другие виды движения с помощью отражательных перегородок. Лопастные мешалки ограничены и применяются для перемешивания культуральных жидкостей с низкой вязкостью при низких расходах воздуха в аппаратах небольшой вместимости

пропеллерные мешалки создаю осевое течение жидкости при этом жидкость движется параллельно оси вала мешалки.

Такое движение хорошо подает воздух

из-под барботера вверх в больших ферментаторах пропеллерные мешалки устанавливают дополнительно к основной мешалки под барботер

турбинные мешалки, которые наиболее часто используются в качестве перемешивающего устройства в ферментаторах - эти мешалки создают радиальное движение жидкости, при

вращении мешалки возникает центробежная сила, под действием этой центробежной силой жидкость стекает с лопастей мешалки в

радиальном направлении

такой радиальный поток жидкости способствуют рассеиванию пузырьков воздуха, которые образуются у барботера и эти пузырьки распределяются по всему сечению столба жидкости ферментации радиальный поток двигаясь к плоскости вращения мешалки доходят до стенки ферментатора и разделяется на две части: одна часть течет вдоль стенки аппарата вниз к днищу,

другая часть течет вверх к свободной поверхности жидкости возникновение радиального течения приводит к тому, что

в полосе переходной области, которая метается мешалкой (ближе к валу мешалки) создается зона пониженного давления и в эту зону пониженного давления устремляются потоки жидкости, которые

текут от свободной поверхности и от нас

переходная область образует осевые потоки, которые движутся сверху вниз и снизу вверх, и таким образом в ферментаторе создается замкнутая циркуляция жидкости

циркуляционные потоки накладываются на первичное тангенциальное течение, что приводит к образованию в ферментаторе трехмерного движения жидкости, так называемого 3d перемешивания, при котором частиц жидкости перемешиваются во всех направлениях

с позиций равномерности перемешивания наиболее эффективны для ферментации турбинные мешалки

Чаще всего устанавливаются дисковые/ лопастные трубинные мешалки

Параметры мешалки

- должны быть высокоскоростные и с небольшим диаметром, но жиаметр мешалки должен составлять от 0,3-0,4 диаметра ферментатора

Чем больше подача воздуха, тем большее соотношение диаметра мешалки к диаметру ферментатора

для того чтобы в циркуляции участвовала вся жидкость которая находится ферментаторе необходимо

применять многоярусные мешалки

• если расстояние между ярусами будет меньше, то потоки от соседних ярусов будут перекрываться и мешалка будет работать как одноярусная, а при этом мощность на перемешивание будет тратиться как на многоярусными

• если расстояние между ярусами будет больше, чем полтора два диаметра мешалки, то между циркуляционными потоками соседних ярусов, а могут возникнуть достойной зоны, где жидкость не перемешивается или перемешивается недостаточно

• окружная скорость вращения мешалки должна быть такой чтобы ее линейная скорость не превышала 6- 8 метров в секунду, если скорость будет больше, то может произойти разрушение клеток продуцента

Приводы по своей эффективности не одинаковы

Привод ЭЭД- имеет относительно невысокий кпд и используется при высоких частотах вращения валов

Привод ЭЭМ- позволяет осуществлять вращение с любой требуемой скорости, в том числе и со сверхнизкой частотой при высоком кпд

ЭПМ наиболее компактны и надежны, являются промежуточным звеном передачи энергии

 в процессе ферментации выделяется тепло за счет этого температура культуральной жидкости

повышается, а это может отрицательно сказаться на показателях процессов, то есть может снизиться

и биосинтез целевого продукта поэтому чтобы поддерживать в терминаторе необходимую температуру

выделяющиеся тепло необходимо отводить

отведение тепла производится охлаждающими агентами через специальные теплоотводящие устройства

теплоотводящие теплообменные устройства ферментатора бывают наружные и внутренние

наружным теплообменным устройствах относятся гладкая и секционная рубашки и наварные змеевеки

внутренние – змеевеки

на рисунке параллельное подключение (оно эффективнее)

1) 1 рисунок

змеевеки в больших ферментаторах, но они гасят турбулентное движение, и сейчас они не актульны

2) увеличивают коэффициент теплоотдачи, выполняют функцию отражательных перегородок

3) вода подается снизу сразу

4)удобно для монтажа и обслуживается, слив снизу

Внутренние змеевеки обеспечивают необходимую скорость отвода тепло

но есть и недостатки.

такие устройства загромождают внутренний объем ферментаторов, затрудняют внутренний ремонт при работе - мойку чистку аппарата и поэтому в ферментаторах объемом до 10 кубометров

использования внутренних теплообменных устройств нецелесообразно, и, кроме того, внутренние

теплообменные устройства увеличивают вероятность попадания внутрь ферментатора посторонней микрофлоры, потому что на поверхности змеевиков могут со временем образовываться микротрещины и через них в культуральную жидкость из охлаждающей воды могут попасть микроорганизмы контоминанты

лучше всего использовать для охлаждения наружные рубашки, но в некоторых случаях тепловыделения в процессе культивирования очень большое потому что используются высокопродуктивные штоаммы и концентрированные среды и тогда поверхности теплообмена наружных теплообменных устройств может не хватить в этом случае используют комбинированное

охлаждение то есть подключают и внутренние змеевик в качестве охлаждающего агента используют воду

можно использовать оборотную воду, артезианскую воду это охлаждение

артезианской водой самая эффективная, но это вода дороже можно использовать нахоложенную воду в некоторых случаях достаточно охлаждение обычной водопроводной водой