Средоварка

Сайт о промышленной биотехнологии

Понедельник, 21.01.2019, 02:52
Меню сайта
Категории раздела
Биотехнология [13]
Микробиология [23]
Разные статьи [15]
Пищевая промышленность [25]
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Биотехнология

Биореакторы

Биореакторы

Что такое промышленная биотехнология?
Определения биотехнологии в Интернете
Объекты биотехнологии: от вирусов до человека
Словарь терминов биотехнологии
Сайты о биотехнологии
Где применяют иммобилизованные ферменты?
Как получают иммобилизованные ферменты?

Чтобы успешно вести биотехнологический синтез, надо понимать, чем он отличается от химического. Отличие состоит в том, что в биотехнологическом процессе участвуют живые клетки (а также части клеток и ферметны).
Эта особенность в корне меняет все процессы, происходящие в реакторе. Живые организмы нуждаются в поддержании постоянной температуры (нагрев или охлаждение), среде определенного состава, часто – в газообмене (перенос кислорода из воздушной фазы в жидкую).
Только в благоприятных для себя условиях микроорганизмы смогут полноценно жить и размножаться, а значит и производить полезный продукт. Поэтому назначение любого биореактора – создать наилучшие условия для роста микроорганизмов. В данной статье будет показано, как эти условия достигаются.

1. Перемешивание
Одна из важнейших частей биореактора – перемешивающее устройство. Перемешивание обеспечивает однородность условий в реакторе, массопередачу между фазами, а зачастую и газообмен. Существуют биореакторы с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.
Механическое
Реакторы с механическим перемешиванием имеют мешалку в виде вала с 6, иногда 8 лопастями. В реакторах большого объема лопасти могут располагаться в несколько ярусов. Скорость перемешивания зависит от вида клеток в реакторе: низкая для животных и растительных клеток, более высокая для микроорганизмов. Чтобы при перемешивании не возникали водовороты, на стенках реактора устанавливают отражательные перегородки. Но при выращивании мицелиальных грибов эти перегородки обычно обрастают мицелием, затрудняя перемешивание. Иногда перемешивание совмещают с аэрацией – воздух поступает в аппарат через полый вал мешалки.
Пневматическое
При выращивании животных и растительных клеток перемешивание должно быть очень бережным, поэтому механические мешалки, даже самые тихоходные, здесь не всегда подходят. В таких случаях жидкость перемешивают с помощью пузырьков газа (обычно воздуха). Воздух подается по трубе на дно сосуда, где через выходит отверстия и в виде пузырьков поднимается («пробулькивает») сквозь жидкость. Скорость перемешивания, а значит и массообмена, в таких аппаратах (эрлифтных реакторах) очень низкая. Но для клеток растений и животных такие условия вполне подходят. У пневматического перемешивания есть и свои преимущества: отсутствие движущихся частей означает как простоту конструкции, так и экономию энергии.
Циркуляционное
В циркуляционных биореакторах насосы «гоняют» жидкость по кругу. Поток при этом захватывает воздух и, увлекая за собой пузырьки, насыщает среду кислородом. Такие реакторы совмещают достоинства механики и пневматики: высокую скорость перемешивания и отсутствие специальных перемешивающих устройств. Если перемешивание недостаточно, его можно усилить с помощью насадки. Это твердые частицы, которые добавляют прямо в культуральную среду. Перемещаясь с потоком, насадка не только улучшает перемешивание и аэрацию, но и устраняет обрасание стенок, «счищая» с них мицелий. В то же время насадка сама может служить поверхностью для ростиа микроорганизмов. Например, грибы намного лучше растут, когда им удастся закрепиться на насадке.

2. Аэрация
В биореакторе могут выращиваться как анаэробные, так и аэробные микроорганизмы. Аэробам необходимо подавать кислород и удалять из биореактора углекислый газ. При этом на разных этапах роста их потребность в кислороде может меняться. Поэтому в биореакторе необходимы системы аэрации. Они должны обеспечить баланс между расходом и поступлением кислорода в зависимости от стадии культивирования.
Аэрация может осуществляться путем барботажа – воздух поступает снизу через горизонтальную трубку с отверстиями, или применением специальных вибраторов. Такие устройства расходуют мало энергии и не разрушают клетки.
В последнее время разрабатываются новые способы аэрации. Например, воздух может подаваться через специальные полипропиленовые мембраны. Этот способ позволяет избегать пенообразования и применяется при выращивании клеток эукариотических организмов, например в производстве интерферона.

3. Теплообмен
Разные микроорганизмы предпочитают самую разную температуру окружающей среды: низкую (психрофилы), высокую (термофилы) или среднюю (мезофилы). Поэтому для их роста и развития в реакторе необходимо тщательно поддерживать требуемую температуру.
Однако большинство микроорганизмов, применяемых в биотехнологии, относятся все же к мезофилам и им требуется температура 30-50°С. Обычно ее удается достичь без дополнительного нагрева. Если нагрев все-таки нужен, в рубашку аппарата (или в систему оплетающих его труб) подают горячую воду или пар.
Но чаще требуется не нагревание, а охлаждение. Избыток тепла возникает при бурном росте клеток, а также при работе перемешивающих устройств. Если перегреть клетки, активность их ферментов снизится, а при сильном нагреве разрушатся белки и другие биомолекулы. Поэтому большинство биотехнологических процессов требует эффективного охлаждения. Для этого в рубашку или трубы реактора подается холодная вода, а иногда и специальные охладители – этиленгликоль и фреоны. Особенно важно охлаждение для промышленных реакторов.

4. Пеногашение
Еще одной серьезной проблемой при культивировании в биореакторах является пенообразование. Пена образуется при аэрировании соедржимого, в котором постоянно присутствуют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Этими веществами могут быть продукты распада жиров (мыла) и белки, входящие в состав  субстрата (например, соевая и кукурузная мука). Слой пены способствует росту аэробных микроорганизмов, но в то же время сокращает полезный объем реактора и способствует заражению посторонней микрофлорой. Поэтому необходимо разрабатывать дейтсвенные системы пеногашения. Существуют химические, механические, акустические и другие виды пеногашения. Наиболее часто применяют химические и механические способы.
К химическим средствам относятся поверхностно-активные вещества, которые внедряются в стенки пузырей и разрушают их. Среди этих веществ – растительные масла (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное), животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. У этих пеногасителей есть существенный недостаток – распадаясь, они сами начинают образовывать пену.
Механические пеногасители – это устройства в верхней части реактора, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены: они не только разрушают пену, но и извлекают из нее биомассу. Все эти устройства, конечно же, приводят к дополнительным затратам и удорожают производство.

5. Стерильность
В биотехнологическом производстве важное место отводится принципу асептики, выдвинутому еще в конце XIX в. Луи Пастером. Поэтому необходимой частью биореактора является система, обеспечивающая стерильность процесса. Стерилизация может осуществляться до, во время или после процесса.
Устройства и режим стерилизации зависят от конструкции биореактора, вспомогательного оборудования, питательной среды и многих других факторов. Два основных способа стерилизации в биотехнологии – термический и фильтрационный. Фильтрационный способом обеззаразивают воздух, подаваемый в ферментер во время процесса. Термически, то есть нагреванием, стерилизуют оборудование  и среды до начала процесса. Температура и продолжительность нагрева зависят от химического состава питательной среды. Все компоненты среды после стерилизации должны остаться неизменными, чтобы сохранить ее питательные качества.

Таким образом, чем тщательнее выбраны и соблюдены условия выращивания клеток, тем продуктивнее становится биотехнологический процесс. Поэтому биореакторы должны проектироваться с учетом всех протребностей микроорганизмов – в перемешивании среды, насыщении воздухом, поддержании необходимой температуры, пеногашении, стерильности. Все эти условия недостаточно создать однократно, а надо поддерживать постоянно. Вот почему все чаще биореакторы оснащают компьютерным управлением, которая должна отзываться на все изменения процесса и регулировать его параметры. Тогда реактор становится автономно работающей системой, которая способна сама себя регулировать и поддерживать на постоянном уровне выход и качество продукта.

Источник: Евтушенков А. Н., Фомичев Ю. К. Введение в биотехнологию Минск, 2002

 

 

 

Категория: Биотехнология | Добавил: Irina (12.02.2015)
Просмотров: 3143 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:
Вход на сайт
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz