2.2.4. Обґрунтування вибору способу культивування
Глибинне культивування має ряд переваг перед поверхневим, оскільки дозволяє значно зменшити виробничі площі, виключити тяжку ручну працю (високий рівень автоматизації), покращити гігієну праці, спрощує механізацію та автоматизацію виробництва, робить можливий перехід на безперервний спосіб культивування. При глибинному способі культивування більш раціонально використовуються поживні середовища, що дає можливість зменшити відходи виробництва у вигляді нерозчинних осадів та отримувати більш активні вторинні метаболіти [9].
Раніше продуцент вирощували на поверхні живильного середовища в плоских бутлях (матрацах). Щоб отримати помітні кількості антибіотика, були потрібні тисячі матраців, кожен з яких після зливу культуральної рідини необхідно було мити, стерилізувати, заповнювати свіжим середовищем, засівати продуцентом і інкубувати в термостатах. Малопродуктивний спосіб поверхневої ферментації (поверхневого біосинтезу) не міг задовольнити потреб в антибіотиках. У зв'язку з цим був розроблений новий високопродуктивний метод глибинного культивування (глибинної ферментації) мікроорганізмів - продуцентів антибіотиків [9].
Метод глибинного культивування відрізняється від попереднього тим, що мікроорганізми-продуценти вирощують не на поверхні живильного середовища, а у всій її товщі. Вирощування продуцентів ведуть у спеціальних чанах (ферментерах), ємність яких може перевищувати 50 м3. Ферментери забезпечені пристосуваннями для продування повітря через живильне середовище і мішалками. Розвиток мікроорганізмів-продуцентів в ферментаторах відбувається при безперервному перемішуванні поживного середовища та подачі кисню (повітря). При глибинному вирощуванні у багато разів у порівнянні з вирощуванням продуцента на поверхні середовища збільшується накопичення біомаси (з розрахунку на одиницю об'єму живильного середовища), а значить, і зростає вміст антибіотика в кожному мілілітрі культуральної рідини, тобто підвищується її антибіотична активність [9].
2.2.5. Обґрунтування вибору ферментаційного обладнання
Всі форми та види ферментаційних систем створюються, маючи за основну мету забезпечення однакових умов для всіх компонентів, що містяться в реакторі. Біореактор повинен бути сконструйований так, щоб виключити можливість потрапляння забруднюючих мікроорганізмів, а також забезпечити збереження потрібної мікрофлори. Об’єм культивуємої суміші повинен залишатися постійним. Рівень розчинного кисню повинен підтримуватися вище критичних рівней керування культури аеробних організмів; параметри зовнішнього середовища, такі як температура, рН та інші повинні постійно контролюватися. Культура при вирощування має добре перемішуватись [9].
Головне завдання апаратів для глибинної ферментації - забезпечення високої інтенсивності масо- і енергообміну клітин із середовищем. За структурою потоків ферментери можуть бути апаратами повного переміщування або повного витіснення [9].
Конструктивні відмінності ферментерів визначаються в основному способами підвода енергії та аерації середовища: з підведенням енергії до газової фази; з підведенням енергії до рідкої фази; з комбінованим підведенням енергії.
Ферментери з підведенням енергії до газової фази. В апаратах цього типу аерація і перемішування культуральної рідини здійснюються стисненим повітрям, яке подається в ферментер під певним тиском. До таких ферментерів відносять:
- барботажні ферментери (біореактори), подача повітря в яких здійснюється через барботажні пристрої, розташовані в нижній частині апарату; - апарати з дифузором (ерліфтні аератори), що мають внутрішній циліндр-дифузор, який забезпечує перемішування вступників по розподільних трубах в нижню частину апарата субстрату і повітря;
трубчасті ферментери (газліфтні), що складаються з реактора кожухотрубчатого типу, через який рідина потоком повітря переміщається у верхню частину апарата і, потрапляючи в сепаратор, повертається в реактор, де знову захоплюється повітрям, піддаючись таким чином циркуляції; - ферментери з форсунковим повітрярозподільником, обладнані форсунками для подачі повітря, розташованими в нижній частині апарату, і розташованим над ними дифузором, який забезпечує внутрішню циркуляцію рідини; - ферментери колонного типу, що представляють собою циліндричну колону, розділену горизонтальними перегородками (тарілками) на секції; повітря барботує через шар рідини кожної тарілки, а переміщення рідини через кільцеву щілину забезпечує протиточний рух рідкої і газової фаз. Ферментери (біореактори) з підведенням енергії до рідкої фази. До таких апаратів відносять:
апарати із самозасмоктувальною турбіною, що мають циліндричний дифузор і мішалку з порожнистими лопатями і валом, при обертанні якої за рахунок створюваного розрідження відбувається самовсмоктування повітря, завдяки чому відбувається підйом рідини в кільцевому зазорі між дифузором та стінками апарата з наступним її поверненням у розпилювач; - ферментер з турбоежекторними пристроями, що перемішують - апарат, розділений вертикальними перегородками на секції, в кожній з яких є самовсмоктуюча мішалка турбінного типу (ежектор) і дифузор; для переміщення рідини з секції в секцію в перегородках зроблені вікна [8].
Ферментери з комбінованим підведенням енергії. У цих апаратах здійснено підведення енергії до газової фази для аерації й до рідкої фази для перемішування. Ферментер являє собою циліндричну посудину, забезпечений механічною мішалкою й барботером, який встановлюється, як правило, під нижнім ярусом мішалки [9].
Ферментери зазвичай представляють собою герметичні циліндричні ємності, висота яких в 2-2,5 рази перевищує діаметр. Найчастіше їх виготовляють із нержавіючої сталі. Для підтримки температури в апараті є подвійний кожух або теплообмінник типу змійовика [9].
Тип ферментерів (біореакторів) для кожного біотехнологічного процесу вибирають з урахуванням специфіки продуцента, властивостей середовища та економічних міркувань. Важливе значення для аеробного процесу має система аерації. При цьому оцінюють, з одного боку, швидкість надходження кисню з рідиною і його массопередачю від газової фази, з іншого - швидкость споживання кисню мікроорганізмами і його видалення з відпрацьованою рідиною. Швидкість переходу кисню з газової фази в рідку виражають через об'ємну швидкість адсорбції [9].
Культивування Streptomyces avermitilis передбачається здійснювати глибинним способом в ферментерах. В представленій роботі передбачено використання ферментеру з механічним перемішуванням барботажного типу. Проведення культивування S. avermitilis передбачає забезпечення інтенсивного перемішування та аерації середовища, для кращого доступу кисню.
Обраний ферментер забезпечений пристосуваннями для достатньої аерації і перемішування культури, підтримки необхідної температури, а також контрольно-вимірювальним приладами [9].
Аерація відбувається в результаті подання стерильного, підігрітого до необхідної температури повітря через спеціальні пристосування – барботери – і перемішування культуральної рідини мішалками. При цьому відбувається більше розчинення кисню завдяки його кращому диспергуванню в середовищі. Завдяки наявності відкритих турбінних мішалок та повітря, яке подається через барботер, досягнутий достатній рівень масообміну [9]. Підтримання температури, оптимальної для гарного росту продуцента антибіотика і прояву їм підвищеної фізіолого-біохімічної активності, забезпечується сорочкою ферментера або системою змійовиків. Змійовики використовуються також для подачі пари в процесі стерилізації або води для охолодження. На відміну від барботажних та барботажно-ерліфтних ферментерів, запропонований для використання апарат має високі масообмінні характеристики по кисню, в ньому можна легко варіювати режими перемішування та масообміну, суттєво меншими є витрати стерильного повітря, порівняно велика величина робочого об’єму, забезпечується рівномірний розподіл мікроорганізмів та компонентів поживного середовища (забезпечується оптимальний рівень гомоненізації) [9]. Спостереження за основними процесами життєдіяльності мікроорганізму здійснюється контрольно-вимірювальною апаратурою, що дозволяє підтримувати на заданому рівні температуру всередині ферментера, рН середовища, витрати повітря, тиск всередині ферментера та інші параметри. Ферментер забезпечений пристосуваннями для перенесення інокуляту, внесення додаткових поживних речовин, необхідних для покращення розвитку продуцента, піногасників та пристроєм для взяття проб []. Для забезпечення стерильності процесу ферментації в обраному ферментері передбачено використання торцевих ущільнень валу перемішуючого пристрою з паровим захистом. За допомогою застосування такої конструкції вдається практично повністю запобігти потраплянню атмосферного повітря в апарат, що є дуже важливим для збереження асептичних умов культивування [9].
Рис 2.2.4.1. Ферментер для глибинного культивування мікроорганізмів:
А – люк; Б – оглядове вікно; В – для труби барботера; Д – для завантаження піногасника; Е – завантаження поживного середовища та посівного матеріалу; Ж – для посіву; З –для труби передавлювання; К – резервний; Л – для взяття проби; Н – для манометра; О – для гільзи ртутного термометра; П –– для термометра опору; Р – для очистки оглядових вікон; С – для входу охолоджуючої води чи пару; Т – для виходу конденсата чи охолоджуючої води; У – для виходу повітря; Ф – для нижнього спуску