|
|
|
|
Белорусский Государственный Университет
Биологический факультет
Биореакторы
Реферат
студента 2-го курса
Бабицкого Мирослава
Минск 2003 г.
Биореакторы (ферментаторы) составляют основу биотехнологического производства. Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. Применительно к ферментаторам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 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 функционирующим 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 поточные 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 иеногасителя, система контроля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель.
Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как бактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чем большинство бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы в аппаратурное оформление соответствующих 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 "тихоходного", обеспечивающего нежное обращение с биообъектами.
Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения, например, когда возможно культивирование в глубинных условиях некоторых растительных клеток (суспензионная культура женьшеня), 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 г стерильного воздуха (газа):
- 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 культуралъную жидкость.
Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии на механическое движение внутренних устройств а - 1, 2. 3; с расходом энергии на работу насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б - 4; с расходом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в - 5 (г - газ. ж - жидкая фаза, д - двигатель).
Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиков продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микробов - продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений). Были предложены различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными по большинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них.
Ферментатор периодического действия (1 - турбинная трсхярусная мешалка, 2 - охлаждающий змеевик. 3 - секционная рубашка. 4 - отражательная перегородка. 5 - барботер. П-пар); I-XI - материальные и вспомогательные трубопроводы с запорно-регулирующими устройствами (I - посевная линия. I -подача стерильного сжатого воздуха. III - подача пара, IV - удаление отработанного воздуха. V - загрузочная линия, VI - линия введения добавок, VII подача пеногаситсля, VIII - подача моющего раствора. IX - пробоотборник. X -выдача продукта, XI - выдача в канализацию через нижний спуск).
В последние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми волокнами и некоторые другие.
При расчете и конструировании биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.
Некоторые технические характеристики промышленного биореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в таблице:
Характеристика
Показатели для аппаратов
промышленного на 100 м3
пилотного на 150 л
лабораторного на 10 л
Внутренний диаметр, мм
3600
420
Высота, мм
15715
1140
Рабочий объем, л
1
100
2-6
Диаметр турбин, мм
900
140
Число турбин
1-2 (диаметр
3
2
рабочего колеса
960 мм)
Число отбойников
4
4
+
Частота вращения вала мешалки, об/мин
173
125-990
200-1500
Мощность
электродвигателя
мешалки, кВт
160
2,2
Не более 2
Мощность
электродвигателя
пеногасителя, кВт
4
0,73
Максимальное
количество
отработанного
пеногасителем газа.
м3/мин
100-110
0,3
Частота вращения вала
пеногасителя. об/мин
725
3000
Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания газовой фазой (ФГ), жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкой фазами (ФЖГ).
Ферментаторы
Характеристика конструкции аппарата
Тип аппарата
ФГ с подводом энергии газовой фазой
Простота конструктивного осрормления и высокая надежность в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей
Барботажный. барботажно-эрлифтный. колоночный (колонный), форсуночный
ФЖ с подводом энергии жидкой фазой
Обычно энергия передастся жидкой фазе самовсасынающсй мешалкой или насосом
Эжекционный. с циркуляционным контуром, с нсасывающей мешалкой
ФЖГ (комбинированные)
Основным конструктивным элементом является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа. В то