20

Аппараты ферментаций. Постферментационная стадия

Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта.

Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный и непрерывный (или с подпиткой субстратом).

Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров).

Многочисленность методов культивирование, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положениях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою специфику.

Каждая технология, применяющая живые микробные клетки в качестве продуцента, имеют в своем составе кроме биотехнологических, также химико-технологические и физико-механические процессы, обладает своими особенностями аппаратурного оформления, требования к сырью и режимам, но среди них есть общие критерии, которые можно обобщить, как особенности этих технологий в целом.

Любое микробиологическое производство можно представить в виде последовательно выполняемых технологических стадий или этапов. В каждом конкретном микробиологическом производстве есть свои отличительные особенности.

Но общими чертами всех производств являются стадии подготовки питательных сред, получения посевного материала, выращивание производственной культуры в поверхностном или глубинных условиях и выделение конечного продукта.

Факторы, влияющие на ферментационные процессы подразделяются следующим образом:

-физические (температура процесса, давление освещенность);

• химические (активная кислотность, состав и концентрация органических и неорганических веществ, ингибиторов и стимуляторов, кислорода в субстрате и др.);

• биологические (штамм культуры микроорганизмов, степень адаптации к субстрату, концентрация биомассы при ферментации и др.);

• технологические (продолжительность ферментации, методы аэрации, подвода энергии, культивирования и др.).

Оборудование для биотехнологических производств

Правильный выбор и эффективная эксплуатация оборудования в значительной степени зависят от свойств перерабатываемого сырья и технологических режимах ведения процесса. Производство продуктов микробного синтеза связано с использованием больших количеств жидких и сыпучих видов сырья и сжатого воздуха. Поэтому существуют достаточно жесткие требования к оборудованию для хранения, перемещения и подготовки к микробиологической переработки исходных субстратов, стерилизации питательных сред и воздуха.

Аппараты для глубинного аэробного, анаэробного и поверхностного культивирования микроорганизмов имеют свои конструктивные особенности, которые определяются многими факторами: видом сырья и продуцента, режимом культивирования, необходимостью введения други компонентов в ходе культивирования. Большое внимание уделяется механическому перемешиванию – одному из важнейших вопросов в создании ферментаторов с интенсивным массообменном. Важнейшими этапами производства любого продукта биотехнологии являются выделение, концентрирование и сушка продуктов биосинтеза

Принципы переработки различных видов сырья и получения продуктов микробного синтеза очень близки и основаны на при­готовлении питательных сред, культивировании микроорганиз­мов, выделении, концентрировании и сушке продуктов биосинте­за. С учетом этих особенностей приводится классификация машин и аппаратов по назначению в микробиологических производст­вах.

Ферментер ( ферментатор)

Биореакторы изготавливаются в двух вариантах или типах. Первый тип для нестерильных систем, когда нет абсолютной необходимости оперировать с чистыми культурами микроорганизмов (например, ферментация при пивоварении, производство пекарских дрожжей и т. п.).

Биореакторы второго типа предназначены для асептических процессов, обычно используемых в производстве таких соединений как, антибиотики, аминокислоты, полисахариды и одноклеточный бактериальный белок. В реакторах такого типа все посторонние микроорганизмы должны быть исключены, что, естественно, связано со значительными сложностями при их конструировании и разработке самого биотехнологического процесса.

• Основное требование к биореакторам любого типа сводится к обеспечению оптимальных условий роста продуцента или накоплению синтезируемого им продукта. Биотехнологически ценные продукты синтезируются как в экспоненциальной фазе (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так называемые первичные метаболиты), так и в стационарной фазе роста (антибиотики, пигменты и т. п. так называемые вторичные метаболиты).

Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать технологию, призванную оптимизировать процесс, а именно: использовать подходящий источник энергии, набор питательных веществ должен соответствовать питательным потребностям организма-продуцента, из ростовой среды должны быть удалены соединения, ингибирующие его жизнедеятельность, должна быть подобрана соответствующая посевная доза и, наконец, обеспечены все остальные требуемые физико-химические условия.

Экономически рентабельные процессы в своей основе весьма сходны, независимо от избранного продуцента, используемой среды и образуемого продукта.

Главная задача - получение максимального количества клеток с одинаковыми свойствами при их выращивании в определенных тщательно контролируемых условиях. Фактически один и тот же биореактор (лишь с небольшими изменениями) может быть использован для производства ферментов, антибиотиков, органических кислот или одноклеточного белка.

Cовременные биореакторы должны обладать следующими системами:

• эффективного перемешивания и гомогенизации среды выращивания;

• обеспечения свободной и быстрой диффузии газообразных компонентов системы (аэрирование в первую очередь);

• теплообмена, обеспечивающего поддержание оптимальной температуры внутри реактора и ее контролируемые изменения;

• пеногашения;

• стерилизации сред, воздуха и самой аппаратуры;

• контроля и регулировки процесса и его отдельных этапов.

К материалам, используемым при конструировании сложных, прецизионно работающих ферменторов, предъявляются определенные требования (порой весьма строгие):

а) все материалы, вступающие в контакт с растворами, подающимися в биореактор, соприкасающиеся с культурой микроорганизма, должны быть устойчивыми к коррозии, чтобы предотвратить загрязнения металлами даже в следовых количествах;

б) материалы должны быть нетоксичным и, чтобы даже при самой малой растворимости они не могли бы ингибировать рост культуры; в) компоненты и материалы биореактора должны выдерживать повторную стерилизацию паром под давлением;

г) перемешивающая система биореактора и места поступления и выхода материалов и продуктов должны быть легко доступными и достаточно прочными, чтобы не деформироваться или ломаться при механических воздействиях;

д) необходимо обеспечить визуальное наблюдение за средой и культурой, так что материалы, используемые в процессе, по возможности должны быть прозрачными.

Для оптимизации биотехнологических процессов требуется постоянный и тщательный контроль за изменяющейся картиной ферментации, что обеспечивается наличием в биореакторах соответствующих датчиков, позволяющих осуществлять избирательный анализ определенных параметров ферментационного процесса. Неотъемлемой частью большинства ферментаций является та или иная степень компьютеризации.

Одно из основных требований, которое предъявляется к ферментатору, - сохранение стерильности при интенсивной аэрации питательной среды во время всего периода культивирования. Ферментатор представляет собой герметическую цилиндрическую емкость со сферическими крышкой и днищем. Объем аппарата может быть от 0,01 до 100 м³. Высота ферментаторов в 2-2,5 раза превышает диаметр. Лучший материал для изготовления ферментаторов – нержавеющая сталь. Для увеличения пути прохождения пузырьков воздуха рекомендуются высокие узкие ферментеры высота в 3 раза больше диаметра. В высоком сосуде воздух подвергается большему давлению, увеличивая растворимость кислорода.

Микроорганизмы могут использовать только растворенный кислород. Насыщение кислородом питательной среды осуществляется путем аэрации, обеспечивающей контакт между воздушной и жидкой фазами. Наибольшее распространение в микробиологической промышленности получили аэрирующие устройства барботажного типа. Для увеличения дисперсности газа и поверхности газовых пузырьков необходимо сильное хорошее перемешивание.

Ферментатор снабжен термостатирующим, перемешивающим и регулирующим рН среды устройствами, оборудован системой подачи питательной среды, пеногасителя, воды, пара и т.д. При всех этих условиях происходит интенсивный рост микроорганизмов и выделение тепла на 1г биомассы выделяется 3 ккал, а при концентрации 20 г/л – около 60 ккал. Микроорганизмы могут выдержать не более 5 ккал/литр, что вызывает повышение температуры на 5⁰С. Тепло, выделяемое в процессе роста микроорганизмов, отводится с помощью различных теплообменных конструкций, для чего ферментер имеет внешнюю водяную рубашку и внутренние трубчатые охладители.

В процессе культивирования ведется постоянный контроль за состоянием культуры и накопление продукта биосинтеза, фиксируется потребление основных компонентов среды, контролируется рН культуральной жидкости. Режим культивирования контролируется с помощью автоматических датчиков, фиксируется и обрабатывается на компьютерных программах, задаются нужные параметры, вносятся изменения в режим подачи кислорода, питательных элементов, воды, охлаждающих реагентов.

Для успешного выращивания производственных культур большое значение имеет предотвращение пенообразования. Все ферментаторы снабжены устройствами для введения пеногасителя и контроля высоты пены в аппарате. Для снижения пенообразования используют химические пеногасители. Среди них растительные масла (касторовое, подсолнечное, соевое) и животные жиры (свиной, говяжий, бараний, костный, китовый, кашалотовый). Применят также и механические средства (циклоны, вращающиеся в верхней части ферментатора лопасти). Применение противопенных агентов следует расценивать как неотъемлемую часть аэробного выращивания микроорганизмов.

Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она лишь используется для увлажнения твердой поверхности или воздуха (газа). В зависимости от превалирующей фазы процессы и соответствующие им аппараты подразделяются на твердофазные и газофазные.

Твердофазные осуществляются, как правило, на основе растительного сырья и используют чаще всего мицелиальные грибы и дрожжи или их комбинации. Различают три типа твердофазных процессов:

• Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3-7 см ("тонкий слой"). В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры.

• Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое ("высокий слой"). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен.

• Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе). Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием.

Интерес к твердофазным процессам обусловлен их некоторыми преимуществами по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе:

1. они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации;

2. характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;

3. низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;

4. твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод.

Однако и здесь существуют свои проблемы. Вследствие отсутствия хорошего перемешивания продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату; при этом возникает локальная недостача питательных веществ, тогда как часть субстрата вообще не используется (не колонизируется) продуцентом; недостаточно эффективный контроль за аэрацией и др.