Принципы действия и конструкции биореакторов

Биореактор – это система, имеющая ограничивающую поверхность, в которой протекают биохимические реакции.

Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов и/или различные химические превращения.

Однако существуют принципы, общие по форме, но различающиеся по практической реализации:

1) принцип масштабирования – поэтапное увеличение объема аппаратов;

2) принцип однородности физико-химических условий – температуры, рН, концентрации растворенных веществ (кислород и др. газы) во всем объеме аппарата.

Для биотехнологических процессов характерны следующие этапы:

1) загрузка субстратов для реакций синтеза;

2) превращения субстратов;

3) отделение и очистка целевого продукта.

Биотехнологические процессы имеют свою специфику – в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает влияние на процессы массопередачи – обмена веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и теплообмена – перераспределения тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Именно поэтому важной составной частью биореактора является система перемешивания, служащая для обеспечения однородности условий в аппарате.

Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО₂), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Очень часто потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.

Теплообмен является важной составной частью процессов, протекающих в биореакторе, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется:

- резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры;

- необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня.

Большинство процессов протекает при температурах 30-50°С (мезофильные условия). В этом случае для поддержания оптимума температуры специальный подогрев используют в редких случаях. Однако для удаления избыточной теплоты, выделяемой в процессе жизнедеятельности культивируемых клеток, в биореакторе должна быть система теплообмена. Эта система должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне (режим термостатирования) или контролировать ее изменения по заданной программе.

Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки). Пенный слой поверх среды культивирования в биореакторе имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое – «кислородном коктейле» - наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Однако нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому система пеногашения – необходимая составная часть реактора.

Система стерилизации представляет собой специфический элемент биореактора. Устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента, поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса, надежная стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого в биореактор воздуха – принцип асептики биотехнологического производства.

В последнее время в биотехнологии стали применять принцип дифференцированных режимов культивирования: разные этапы одного процесса осуществляют при различных условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН среды и др.

Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов современный биореактор должен обладать следующими системами:

1) эффективного перемешивания и гомогенизации питательной среды;

2) обеспечения доступа и быстрой диффузии газообразных агентов (система аэрации среды);

3) теплообмена;

4) пеногашения;

5) стерилизации сред, аппаратуры и воздуха;

6) контроля и регулировки процесса.

Как сложные многопараметровые аппараты, биореакторы могут быть классифицированы по ряду критериев:

1) по размеру и целевому назначению:

- лабораторные;

- опытно-промышленные (пилотные);

- промышленные;

2) по режиму работы:

- периодические;

- периодический режим с доливом субстрата;

- полупериодические;

- непрервно-проточные.

3) по условиям культивирования:

- аэробные и анаэробные;

- мезофильные и термофильные;

- для поверхностного и глубинного культивирования;

- аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные.