Твердофазные и газофазные процессы.

Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, где роль жидкой фазы минимальна (например, она увлажняет твердую поверхность, воздух или газ).

В зависимости от преобладающей фазы процессы и соответствующие им аппараты классифицируют:

1) твердофазные: используют растительное сырье, микроорганизмы могут быть различными, но обычно – мицелиальные грибы и дрожжи (рис.52).

Рис.52. Ферментер для твердофазной ферментации

Различают три типа твердофазных процессов:

- поверхностные процессы: в качестве биореакторов используют подносы из алюминия или культивационные камеры, площадью несколько м²; «тонкий слой» субстрата – 3-7 см (например, солома) (Рис.53);

- глубинные процессы: биореакторами являются глубокие открытые сосуды; используют «высокий» неперемешиваемый слой субстрата, а также приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвективный газообмен;

- процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата: масса может быть гомогенной, например, полужидкий навоз или состоять из частиц твердого субстрата, взвешенных в жидкости. Используют биореакторы с низкоскоростными мешалками. Однако перемешивание при обилии твердой фазы травмирует биообъект (нежелательно для мицелиальных грибов). Для мягкого перемешивания используют винтовые мешалки или биореактор в виде вращающегося барабана.

Преимущества твердофазных процессов:

1) требуют меньших затрат на оборудование и эксплуатацию;

2) облегчены отделение и очистка продукта (благодаря характеру субстрата);

3) вероятность заражения культуры продуцента посторонней микрофлорой не высокая (из-за низкого содержания воды в субстрате);

4) сброс в окружающую среду сточных вод минимален.

Недостатки твердофазных процессов:

1) из-за недостаточного перемешивания, рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации, при этом отдельные зоны в толще субстрата избыточно населяются клетками и возникает локальная нехватка питательных веществ, хотя значительная часть субстрата остается незатронутой.

Для решения этой проблемы необходимо:

- внесение большего количества посевного материала и распределение его по всему объему субстрата;

- периодическое культивирование с многократным отъемом части субстрата с биомассой и внесение эквивалентного количества перемешиваемого свежего субстрата.

2) проблематичен контроль за эффективностью аэрации различных участков субстрата, температурой и уровнем влажности из-за неоднородности условий в толще твердого субстрата.

Для решения этой проблемы разрабатывают малотравматичные режимы механического перемешивания и другие методы усиления массопередачи и теплообмена.

2) газофазные процессы: протекают в аппаратах с твердым наполнителем, через который пропускают ток газа. Например, получение спирта на основе дрожжей: мелкие агрегаты дрожжевых клеток, предварительно увлажненные концентрированной питательной средой, «парят» в биореакторе в мощном потоке газа, поступающего из сопла в днище аппарата. Газ, уходящий из аппарата несет летучие продукты жизнедеятельности дрожжей, в т.ч. спирт, конденсируемый в холодильнике. Агрегаты дрожжевых клеток играют одновременно роль и биообъекта, и твердого наполнителя (рис.54).

Рис. 54. Биореактор для газофазного культивирования:

1 – змеевик;

2 – сопло для подачи газа-носителя.