Білоруський Державний Університет
Біореактори (ферментатори) складають основу біотехнологічного виробництва. Маса апаратів, що використовуються, наприклад, в мікробної біотехнології, різна, і вимоги тут визначаються здебільшого економічними міркуваннями. Стосовно до ферментаторі розрізняють наступні типи їх: лабораторні місткістю 0,5-100 л, пілотні ємністю 100л-10 м3, промислові ємністю 10-100 м3 і більше.
При масштабуванні домагаються відповідності найважливіших характеристик процесу, а не збереження принципу конструкції.
Що застосовується в біотехнології обладнання повинен вносити певну частку естетичності в інтер'єр цеху або відділення ( "пестити око"). В ході його експлуатації і поза її обладнання повинно бути легко доступним, що містяться і що функціонує в певних рамках вимог гігієни і санітарії.
У разі заміни будь-яких частин або деталей в апараті, мастила і чищення вузлів при поточному ремонті, і т. Д. Забруднення не повинні потрапляти всередину біореакторів, в матеріальні потокові комунікаційні лінії, в кінцеві продукти.
Технічну озброєність біотехнологічних процесів доцільно умовно обмежити апаратурним оформленням виробництв, що базуються на культивуванні: 1) бактерій і грибів, 2) клітин і тканин рослин, 3) клітин і тканин тварин організмів і людини. Такий підрозділ обумовлено тим, що бактерії і гриби в більшості своїй вирощують в однотипних биореакторах, що мають майже однотипну обв'язку, в яку входять: ферментатор, багатокорпусні вентиль стерильний (для подачі живильного середовища, посівного матеріалу, підживлення та ін.), Системи регулювання рН, 1 °, подачі іеногасітеля, система контролю витрати повітря, пробовідбірник, електродвигун.
Рослинні клітини, що мають клітинну стінку (також як бактерії і гриби) ростуть, розмножуються і розвиваються значно довше, ніж більшість бактерій і грибів, а це вносить певні корективи в апаратурнеоформлення відповідних біотехнологічних процесів.
Культури клітин тварин і людини, що не мають клітинних стінок, є більш вразливими і вимогливими до умов свого існування, ніж клітини інших еукаріот і прокаріот. Тому обладнання для них можна віднести до розряду "тихохідного", що забезпечує ніжне поводження з біооб'єктами.
Безсумнівно, в окремих випадках допустимі винятки, наприклад, коли можливо культивування в глибинних умовах деяких рослинних клітин (суспензійна культура женьшеню), використовуючи ферментаційне обладнання, розраховане на вирощування, наприклад, бактерій або грибів.
К. Шюгерль в 1982 році запропонував поділити біореактори на 3 основні групи відповідно до способу споживання енергії для перемішування і диспергування г стерильного повітря (газу):
- в біореакторах I типу енергія витрачається на механічне
внутрішніх пристроїв;
- в біореакторах II типу енергія витрачається на роботу
зовнішнього насоса, що забезпечує рециркуляцію рідини
- в біореакторах III типу енергія витрачається на стиск і подачу газу в культурал'ную рідина.
Біореактори для аеробних процесів: з витратою енергії на механічне рух внутрішніх пристроїв а - 1, 2. 3; з витратою енергії на роботу насоса, що забезпечує рециркуляцію культуральної рідини б - 4; з витратою енергії на стиск і подачу газової фази в - 5 (г - газ. ж - рідка фаза, д - двигун).
Людина з найдавніших часів емпірично застосовував дріжджові організми в примітивних за апаратурним оформлення біотехнологічних процесах (хлібопечення, виноробство і ін.). Розвиток промисловості антибіотиків просунуло далеко вперед проблему створення спеціальної апаратури для культивування мікробів - продуцентів БАР (амінокислот, антибіотиків, полісахаридів, вітамінів, ферментів та інших сполук). Були запропоновані різного типу біореактори для вирощування мікроорганізмів, проте всі конструкції ферментаторів (ферментеров) залишалися в основному подібними за більшістю параметрів і, усереднено, їх можна поділити на 2 типи: без підводки стерильного повітря (для анаеробів) і з підведенням його (для аеробів) . Аеріруемие біореактори можуть бути з мішалками і без них.
Ф
В останні роки апробовані мембранні біореактори, біореактори з порожніми волокнами і деякі інші.
При розрахунку і конструюванні біореакторів необхідно враховувати час протікання різних біологічних процесів у представників різних груп організмів.
Деякі технічні характеристики промислового біореактора в порівнянні з пілотним і лабораторним наведені в таблиці:
Розміри ферментаторів визначаються співвідношенням зовнішнього діаметра до висоти, який варіює зазвичай в межах від 1: 2 до 1: 6. Майже універсальними і частіше використовуваними є ферментатори для анаеробних і аеробних процесів. Ці ферментатори в свою чергу класифікують за способом введення в апарат енергії для перемішування газовою фазою (ФГ), рідкою фазою (ФЖ), газової і рідкої фазами (ФЖГ).
Характеристика конструкції апарату
ФГ з підведенням енергії газовою фазою
Простота конструктивного осрормленія і висока надійність в зв'язку з відсутністю рухомих вузлів і деталей
Барботажний. барботажно-ерліфтний. стовпчик (колонний), форсуночний
ФЖ з підведенням енергії рідкої фазою
Зазвичай енергія передасться рідкої фазі самовсасинающсй мішалкою або насосом
Ежекційна. з циркуляційним контуром, з нсасивающей мішалкою
Основним конструктивним елементом є щоперемішує пристрій, що забезпечує високу інтенсивність розчинення кисню і високий ступінь диспергування газу. У той же час енергія газовою фазою виводиться звичайним способом
Барботажний з механічним перемішуванням
З використанням зазначених вище класифікацій вдається розробити єдині методи інженерних розрахунків основних конструктивних елементів та режимів роботи ферментаторів.
Ферментатори зазначених трьох груп мають велику кількість спільних елементів. Різниця ж полягає в конструкціях аеруючими і перемішують. Прикладом конструктивного оформлення ферментатора групи ФГ може бути апарат з ерліфтом місткістю 63 м3. В апараті відсутній механічне перемішування, тому простіше підтримувати асептичні умови. Повітря для аерації середовища подасться по трубі, розташованій вертикально в ферментаторі. Аератор, конструкція якого забезпечує вихровий рух повітря, що виходить, розташований в нижній частині дифузора і насичує живильне середовище повітрям. Газорідинна суміш піднімається по дифузору і перемішується через його верхні краї. У цій же зоні частина повітря йде з апарату, і більш щільне середовище опускається вниз в кільцевому просторі між корпусом ферментатора і дифузором. Так відбувається багаторазова циркуляція середовища в ферментаторі. Для відводу біологічного тепла всередині ферментатора встановлений змійовик, а також апарат оснащений секційної сорочкою. Недоліком цих апаратів є низька інтенсивність массообмсна по кисню. Відомі ферментатори цього типу об'ємом 25, 49, 63 і 200м3.
Ферментатор з ерліфтом: 1 - штуцер для зливу, 2 - аератор, 3 - змійовик, 4 - штуцер для завантаження. 5 - люк, 6 - корпус апарату, 7 - дифузор, 8 - сорочка, 9 - труба передавливания.
Широке поширення у виробництві кормового білка отримали ферментатори з самовсмоктуючий мішалками (рис. 91). Це ферментатори з групи ФЖ. Для вирощування чистої культури дріжджів створені ферментатори місткістю 0.32, 3.2 і 50 м3. Ферментатор є вертикальний циліндричний апарат, забезпечений циркуляційними, теплообмінними і аеруючими пристроями. Як циркуляційних пристроїв використані системи направляючих дифузорів, що розмежовують висхідні та низхідні потоки. Теплообмінні пристрої виконані у вигляді трубок, встановлених в трубних решітках дифузорів.
Ферментатор з самовсмоктуючий мішалкою безперервної дії: 1 - корпус, 2 - дифузор, 3 - Самовсмоктуюча мешалка. 4 - теплообмінник, 5 - фільтр.
промисловості для отримання антибіотиків, вітамінів та інших біологічно активних речовин (див. рис. 88). Його конструкція забезпечує стерильність ферментації протягом тривалого часу (кількох діб) при оптимальних умовах для росту і життєдіяльності продуцента. Ферментатори такої конструкції виготовляють на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 і 160,0 м3. Як видно з малюнка, це циліндричний вертикальний апарат зі сферичним днищем, забезпечений аеруючими, що перемішує і теплопередаючих пристроями. Повітря для аерації надходить в ферментатор через барботер, встановлений під нижнім ярусом мішалки. З точки зору ефективності диспергування повітря конструкція барботера принципової ролі не грає при наявності мішалки, однак, з точки зору експлуатації, найбільш зручним є квадратний барботер, який набув найбільшого поширення. Отвори в барботері спрямовані вниз, щоб уникнути засмічення біооб'єктами. Загальна площа отворів повинна бути на 25% більше площі поперечного перерізу трубопроводу, що підводить повітря. Барботер за своїми розмірами повинен відповідати діаметру мішалки, щоб що виходить з нього повітря потрапляв в зону її дії.
Ефективність роботи ферментатора визначається перш за все необхідною інтенсивністю перемішування. Перемішують пристрої служать для збереження рівномірного температурного поля по всьому об'єму апарату, своєчасного підведення продуктів харчування до клітин і відводу від них продуктів метаболізму, а також інтенсифікації массопередачи кисню. Для створення в ферментаторі умов "повного відображення", щоб уникнути утворення обертального контуру, який різко знижує інтенсивність перемішування, в апараті встановлюють відбивні перегородки (відбійники). Ширина їх складає (0,1-0,12) dM. Зазвичай рекомендують встановлювати 4 відбивних перегородки, кілька відступаючи від стінок ферментатора.
Важливим елементом в конструкції ферментатора є теплообмінні пристрої. Застосування високопродуктивних штамів біооб'єктів, концентрованих поживних середовищ, висока питома витрата потужності на перемішування - всі ці фактори позначаються на суттєвому зростанні тепловиділень, і для відводу тепла в ферментаторі встановлюють зовнішні і внутрішні теплообмінні пристрої. Промислові ферментатори, як правило, мають секційні сорочки, а всередині апарату - чотири змійовика.
Розробники апаратури в нашій країні і за кордоном постійно вдосконалюють конструкції біореакторів. Так, наприклад, фірма New Brunswick Scientific Co. Inc. (США) запропонувала такі типи ферментаторів: Біо-Фло III - для періодичного і безперервного культивування мікробних, тварин і рослинних клітин, поєднаний з мікропроцесором і персональним комп'ютером; Мікрос I - для культивування мікроорганізмів (суміщений з центральним процесором) і промислові ферментатори ємністю від 40 до 4000 літрів і більше (суміщені з мікропроцесорами). У Датської мультинаціональної компанії Gist-Brocades в 1987 р сконструйований і виготовлений найбільший промисловий ферментатор для виробництва пеніциліну (200 м3).
Центр з сапропелю серйозно ставиться до ідеї застосування біореакторів для переробки сапропелю в суміші з гноєм і курячим послідом з метою отримання високоякісних органічних добрив і біогазу.
Ми підтримуємо будь-які починання в цій галузі і прагнемо максимально надати посильну інформаційну допомогу зачинателем цього нового відгалуження виробничого обладнання з метою переробки сапропелю.
Центр з сапропелю
к.т.н. Геотехнологія, ГІП