Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

вающему оптимальные условия для протекания технологического

процесса и контроля за ним (в том числе, с учетом требований по

технике безопасности). Лишь в подобных случаях достигают мак-

симально возможной интенсивности работы оборудования, то есть

его производительности, отнесенной к выбранной основной еди-

нице, например, количество упаренной воды в расчете на 1 час и

на 1 м

поверхности нагрева:

V\-V2

= —г—^ , где Qw — масса упаренной воды, V

—

масса воды

л.о упаривания (Vi) и после упаривания (V2), S — поверхность

нагрева (м

), t — время в часах.

Критерием оптимальности работы аппарата выступает себесто-

имость продукции.

Интенсивность работы оборудования может быть повышена за

счет автоматизации и замены периодических процессов непрерыв-

ными, снижения энергоемкости аппаратов благодаря уменьшению

расхода энергии на единицу сырья или конечного продукта.

Эксплуатационная надежность технологического оборудова-

ния обеспечивается также стабильностью его работы в заданном

режиме и временном интервале, при максимальном соответствии

условий труда физическим и психическим возможностям людей,

занятых в конкретном производстве (эргономика).

Рассмотренный третий принцип напрямую связан с экономи-

кой биотехнологического процесса. Оборудование с высокими

конструктивными и эксплуатационными показателями обеспечи-

вает, как правило, и высокие экономические показатели.

Четвертый принцип технического оснащения биопроизводств

касается эстетичности, легкости и удобства обслуживания, замены,

смазки, чистки, обработки антисептиками или дезинфектантами

узлов и соответствующих частей оборудования.

Любой прибор или аппарат, легко доступный для сборки и

разборки, загрузки материалами, питательными средами и выгруз-

ки,

для чистки, мойки, смазки, ремонта и пр.; оценивается выше,

чем оборудование с усложненным доступом к его частям.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной био-

технологии, различна, и требования здесь определяются большей

частью экономическими соображениями. Применительно к фер-

ментаторам различают следующие типы их: лабораторные емко-

стью 0,5—100 л, пилотные емкостью 100л—10 м

, промышленные

емкостью 10—100 м

и более.

295

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 функционирую-

щим 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 поточ-

ные 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, t°, подачи пеногасителя, система кон-

троля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель.

Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как

бактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значи-

тельно дольше, чем большинство бактерий и грибов, а это вносит

определенные коррективы в аппаратурное оформление соответст-

вующих 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 "тихо-

ходного", обеспечивающего нежное обращение с биообъектами.

Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения,

например, когда возможно культивирование в глубинных условиях

некоторых растительных клеток (суспензионная культура жень-

шеня),

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 стерильного воздуха (газа):

296

— 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 культуральную жидкость.

На рис. 87 схематично изображены некоторые из таких био-

реакторов.

\к

о- -с

г'Ш

.оп

ж,

—"

__ж

Рис.

87.

Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии на механи-

ческое движение внутренних устройств а

—

1, 2, 3; с расходом энергии на работу

насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б — 4; с расхо-

дом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в — 5 (г — газ, ж — жидкая фаза,

д — двигатель):

7.1.

Аппаратурное оснащение микробиологических произ-

водств. Человек с древнейших времен эмпирически применял

.дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформ-

лению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие

и пр.). Развитие промышленности антибиотиков продвинуло дале-

ко вперед проблему создания специальной аппаратуры для куль-

тивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, анти-

биотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соеди-

нений). Были предложены различного типа биореакторы для вы-

ращивания микроорганизмов, однако все конструкции фермента-

торов (ферментеров) оставались в основном сходными по боль-

шинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2

типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с под-

водкой его (для аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с

мешалками и без них (рис. 88).

297

Рис.

88. Ферментатор периодического действия (1 — турбинная трехярусная

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, II

—подача стерильного сжатого воздуха, III — подача пара, IV — удаление отрабо-

танного воздуха, V — загрузочная линия, VI — линия введения добавок, VII —

подача пеногасителя, 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 (рис. 89).

298

III

Рис.

89.

Ориентировочное усреднен-

ное время протекания биологических

процессов у различных групп организ-

мов (по Дж. Роуилсу, 1982): 1 — репли-

кация хромосомы, 2 — продолжитель-

ность клеточного цикла, 3 — бактерии,

4 — дрожжи, 5 — плесени, 6 — расти-

тельные и животные клетки, 7 — эле-

ментарные химические реакции, 8 —

регуляция транскрипции, 9 — аллосте-

рическая регуляция белков, 10 — изме-

нение концентрации ферментов, 11 —

"• возникновение мутантов.

Некоторые технические характеристики промышленного би-

ореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в

таблице 33.

Ю'

ID'

10*

10*10'

* гс

Таблица 33. Технические характеристики биореакторов

Характеристика

Внутренний диаметр, мм

Высота, мм

Рабочий объем, л

Диаметр турбин, мм

Число турбин

Число отбойников

Частота вращения вала

мешалки, об/мин

Мощность

электродвигателя

мешалки, кВт

Мощность

электродвигателя

пеногасителя, кВт

Максимальное

количество

отработанного

пеногасителем газа,

м /мин

Частота вращения вала

пеногасителя, об/мин

Показатели для аппаратов

промышленного

на 100 м

3600

15715

900

1-2 (диаметр

рабочего колеса

960 мм)

173

160

100-110

725

пилотного

на 150 л

420

1140

100

140

125-990

2,2

0,73

0,3

3000

лабораторного

на

2-6

2**

200-1500

Не более 2

Примечание:

1 —

зависит от коэффициента заполнения; 2

—

имеется одна мешалка; 3

диапазон регулируемой

частоты

вращения мешалки.

299

Размеры ферментаторов определяются соотношением внешне-

го диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах of

1:2 до 1:6. Почти универсальными и чаще используемыми являются

ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти фер-

ментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в

аппарат энергии для перемешивания (таблица 34): газовой фазой

(ФГ).

жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкой фазами (ФЖГ).

С использованием указанных выше классификаций удается

разработать единые методы инженерных расчетов основных кон-

структивных элементов и режимов работы ферментаторов.

Т а б л и ц а 34. Классификация ферментаторов по способу ввода энергии для

перемешивания

Ферментаторы

ФГ с подводом

энергии газовой

фазой

ФЖ с подводом

энергии жидкой

фазой

ФЖГ

(комбинированные)

Характеристика конструкции

аппарата

Простота конструктивного

оформления и высокая

надежность в связи с

отсутствием движущихся узлов

и деталей

Обычно энергия передается

жидкой фазе самовсасывающей

мешалкой или насосом

Основным конструктивным

элементом является

перемешивающее устройство,

обеспечивающее высокую

интенсивность растворения

кислорода и высокую степень

диспергирования газа. В то же

время энергия газовой фазой

выводится обычным способом

Тип анпарата

Барботажный,

барботажно-

эрлифтный,

колоночный

(колонный),

форсуночный

Эжекционный, с

циркуляционным

контуром, с

всасывающей

мешалкой

Барботажный с

механическим

перемешиванием

Ферментаторы указанных трех групп имеют большое количе-

ство общих элементов. Различие же состоит в конструкциях

аэрирующих и перемешивающих устройств. Примером конструк-

тивного оформления ферментатора группы ФГ может быть аппарат

с эрлифтом вместимостью 63 м

(рис. 90). В аппарате отсутствует

механическое перемешивание, поэтому проще поддерживать асеп-

тические условия. Воздух для аэрации среды подается по трубе,

300

расположенной верти-

кально в ферментаторе.

Аэратор, конструкция

которого обеспечивает

вихревое движение вы-

ходящего воздуха, распо-

ложен в нижней части

диффузора и насыщает

питательную среду воз-

духом. Газожидкостная

смесь поднимается по

диффузору и перемеши-

вается через его верхние

края. В этой же зоне

часть воздуха уходит из

аппарата, и более плот-

ная среда опускается

вниз в кольцевом про-

странстве между корпу-

сом ферментатора и

диффузором. Так проис-

ходит многократная цир-

куляция среды в фермен-

таторе. Для отвода био-

логического тепла внут-

Рис. 90.

Ферментатор

эрлифтом:

- штуцер

ри ферментатора уста-

Д™

слива. 2 - аэратор, 3^ змеевик, 4 - штуцер

уи

^CJ^IMIUJ^U

для загрузки, 5

—

люк, 6

—

корпус аппарата, 7

НОВлен змеевик, а также - диффузор, 8 - рубашка, 9 - труба передав-

аппарат снабжен секци- ливмшя-

онной рубашкой. Недостатком этих аппаратов является низкая

интенсивность массообмена по кислороду. Известны ферментато-

ры этого типа объемом 25, 49, 63 и 200м

Широкое распространение в производстве кормового белка

получили ферментаторы с самовсасывающими мешалками (рис.

91).

Это ферментаторы из группы ФЖ. Для выращивания чистой

культуры дрожжей созданы ферментаторы вместимостью 0.32, 3.2

и 50 м

. Ферментатор представляет собой вертикальный цилинд-

рический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообмен-

ными и аэрирующими устройствами.

качестве циркуляционных

устройств использованы системы направляющих диффузоров, раз-

граничивающих восходящие и нисходящие потоки. Теплообмен-

301

ные устройства выполнены

в виде трубок, установлен-

ных в трубных решетках

диффузоров.

На предприятиях микро-

биологической промышлен-

ности при выращивании

дрожжей в средах с жидки-

ми парафинами также при-

меняют ферментаторы с са-

мовсасывающими мешалка-

ми непрерывного действия.

Аппарат такого типа пред-

ставлен на рис. 91. Емкость

его 800 м

(рабочий объем

320 м

) разделена на 12 сек-

ций. Ферментационная сре-

да последовательно прохо-

дит все секции, и из послед-

ней выходит культуральная

жидкость с минимальным

содержанием н-парафинов

и максимальной концентра-

цией биомассы. В каждой

секции установлено переме-

шивающее и аэрирующее

устройство и змеевики для

отвода тепла.

Ферментаторы периоди-

ческого действия из групп

ФЖГ применяют с 1944 г. в

промышленности для получения антибиотиков, витаминов и

других биологически активных веществ (см. рис. 88). Его конст-

рукция обеспечивает стерильность ферментации в течение дли-

тельного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях

для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментаторы такой

конструкции изготавливают 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 и 160,0 м

. Как видно из рисунка,

это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим дни-

щем, снабженный аэрирующим, перемешивающим и теплопере-

дающим устройствами. Воздух для аэрации поступает в фермен-

302

Рис.

91. Ферментатор с самовсасывающей

мешалкой непрерывного действия: 1 — кор-

пус,

2 — диффузор, 3 — самовсасывающая

мешалка, 4 — теплообменник, 5 — фильтр.

татор через барботер, установленный под нижним ярусом мешал-

ки.

С точки зрения эффективности диспергирования воздуха

конструкция барботера принципиальной роли не играет при нали-

чии мешалки, однако, с точки зрения эксплуатации, наиболее

удобным является квадратный барботер, который получил наи-

большее распространение. Отверстия в барботере направлены

вниз,

во избежание засорения биообъектами. Общая площадь

отверстий должна быть на 25% больше площади поперечного

сечения трубопровода, подводящего воздух. Барботер по своим

размерам должен соответствовать диаметру мешалки, чтобы вы-

ходящий из него воздух попадал в зону ее действия.

Эффективность работы ферментатора определяется прежде

всего необходимой интенсивностью перемешивания. Перемеши-

вающие устройства служат для сохранения равномерного темпе-

ратурного поля по всему объему аппарата, своевременного подвода

продуктов питания к клеткам и отвода от них продуктов метабо-

лизма, а также интенсификации массопередачи кислорода.

Для культуральных жидкостей с высокой структурной вязко-

стью наиболее эффективными являются открытые турбинные

мешалки с шестью лопастями. Выбраны более или менее оптималь-

ные соотношения размеров мешалки (ём/Д=0,3—0,4, где <1м —

диаметр мешалки, Д — диаметр аппарата). Количество ярусов

мешалки определяется высотой столба жидкости. Оптимальное

межярусное расстояние (пя) = (1,5—1,8) с!м. Расстояния от верх-

него яруса мешалки до уровня жидкости в ферментаторе

(№KI)

должно быть > dM и от нижнего яруса мешалки до дна аппарата

(0,8—1,1) dM.

Для создания в ферментаторе условий "полного отражения", во

избежание образования вращательного контура, который резко

снижает интенсивность перемешивания, в аппарате устанавлива-

ют отражательные перегородки (отбойники). Ширина их состав-

ляет (0,1—0,12) dM. Обычно рекомендуют устанавливать 4 отража-

тельных перегородки, несколько отступая от стенок ферментатора.

Важным элементом в конструкции ферментатора являются

теплообменные устройства. Применение высокопродуктивных

штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред, вы-

сокий удельный расход мощности на перемешивание — все эти

факторы сказываются на существенном возрастании тепловыде-

лений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наруж-

ные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные

ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри

аппарата — четыре змеевика.

зоз

Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом посто-

янно совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например,

фирма New Brunswick Scientific Co., Inc. (США) предложила следу-

ющие типы ферментаторов: Био-Фло III — для периодического и

непрерывного культивирования микробных, животных и расти-

тельных клеток, совмещенный с микропроцессором и персональ-

Рис. 92. Ферментатор емкостью

ТО

р ддд производства пеницил-

200 м (внутренний вид). ^^

(2QQ

(рис g2);

Общая продуктивность процесса (Рар) в биореакторе опреде-

ляется количеством целевого продукта в ЕД активности или в кг,

получаемого с

ферментационной емкости в час. Расчет ведут

по формулам, отдельно — для периодического и непрерывного

процессов:

периодический процесс непрерывный процесс

VcfActlO

ЕД WcMc/10

. ЕД

Иар

~ У/Тс

-час

] Иар

~ V

{

час

VrfC,

кг , WaC з»

P =

1^C"

[

]

ар

=-^-, где Vcf(M)-объем

культуральной жидкости за весь процесс ферментации; Acf (ЕД/мл)

— активность культуральной жидкости; С (кг/м

) — концентрация

целевого продукта в культуральной жидкости; W

f (м

/час) —

скорость слива культуральной жидкости из ферментатора; Vf (м

)

— вместимость ферментатора; X

(час) — время цикла работы

ферментатора.

Общую продуктивность для непрерывных процессов (рис. 93)

определяют в установившемся режиме, а для периодических про-

цессов и полунепрерывных — с учетом времени на подготовку

ферментатора к работе.

304