Системы теплообмена, пеногашения и стерилизации биореакторов

Система теплообмена. Теплообмен достигается с помощью труб с охлаждающим или нагревающим агентом, оплетающих корпус аппарата или пропущенных непосредственно через его полость. Внутренние трубы скручивают в виде змеевиков, которые, контактируя с культуральной жидкостью, обеспечивают более эффективный теплообмен, чем внешняя рубашка. Внутренние трубы размещают в отражательных перегородках, или проводят через определенный участок внешней циркуляционной трубы реактора, чтобы максимально уменьшить помехи для перемешивания и аэрации. В качестве охлаждающего агента используют воду с низкой температурой (артезианскую или пропущенную через холодильную установку), для более глубокого охлаждения – этиленгликоль, фреоны. Нагревающим агентом служит горячая вода или пар.

Система пеногашения. Пеногашение – это средство борьбы с избыточным пенообразованием. Различают химические, механические, акустические и др. виды пеногасителей. Наиболее часто применяются два первых типа пеногасителей, или их комбинация.

Химические пеногасители – это поверхностно-активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей воздуха, становятся центрами их неустойчивости. Пеногасящие вещества различаются по своей эффективности, которую можно оценивать по уменьшению слоя пены при заданной концентрации пеногасителя. Остатки пенного слоя устраняются с большим трудом и требуют большого расхода пеногасителя. На практике пену удаляют лишь частично, до определенного приемлемого уровня.

Эффективные химические пеногасители: растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное масла), животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Преимущество жиров – в совмещении ими двух функций: они гасят пену и одновременно служат ценными субстратами. Широко используемыми синтетическими пеногасителями являются силиконовые масла, полимерные многоатомные спирты и полиэфиры.

Механические пеногасители включают различные устройства, сбивающие пену: лопасти, диски, барабаны, расположенные в верхней части биореактора.

В целях экономии энергозатрат используют совместно механические и химические пеногасители.

Система стерилизации. Конструкция и механизм действия системы стерилизации зависят от метода стерилизации биореактора, вспомогательного оборудования, питательных сред и воздуха (таблица 5).

Наибольшее значение имеют термический метод для стерилизации оборудования и сред и фильтрационный – для удаления микроорганизмов из вводимого в биореактор воздуха или другого газа. Эффективность и быстрота уничтожения микрофлоры возрастают по мере повышения температуры. Высокая температура нагревающего агента (пара, витков спирали электронагревателя) обеспечивает быструю гибель термоустойчивых бактериальных спор, которые часто попадают в «островки теплоизоляции» - глыбки твердых субстратов, густые суспензии высокомолекулярных соединений и т.д.

Однако по мере повышения температуры возрастают энергозатраты на стерилизацию, усиливается отрицательное влияние нагревания на качество сред. Поэтому выбор температуры должен быть оптимальным.

Таблица 5

Основные методы стерилизации оборудования, питательных сред и воздуха (по К.Г.Федосееву, 1977; R.S.Conway, 1984; T. Leahy et al., 1984; B.Sikyta, 1984; S.Prentis, 1984)

Кроме того, нагревание вызывает химические превращения компонентов питательных сред. При 100°С и выше карбонильные группы сахаров взаимодействуют с ионами аммония или с аминогруппами аминокислот и белков. В результате образуются неусваиваемые клетками продукты. Поэтому в некоторых случаях необходима раздельная стерилизация компонентов питательной среды.

Иногда проведение термической стерилизации невозможно (из-за разложения некоторых веществ, например, витаминов), поэтому применяют химические дезинфицирующие средства или фильтрацию жидкостей.

Использование фильтрационного метода для стерилизации жидких сред вызывает неудобства, т.к. фильтры быстро забиваются клетками микроорганизмов и другими взвешенными частицами. При фильтрации воздуха или другого газа обычно не требуется частая смена фильтров, т.к. содержание взвешенных частиц в них значительно меньше, чем в жидких средах.

Таким образом, важными составными частями современных биореакторов служат системы теплообмена, пеногашения и стерилизации. Однако системы должны работать в наиболее оптимальной области соответствующих параметров. Один из путей к оптимизации режимов их функционирования основан на отработке этих режимов не непосредственно в промышленных аппаратах, а в биореакторах уменьшенного масштаба – лабораторных и пилотных.

Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках.

Обычно встречаются следующие объемы аппаратов:

1) для лабораторных – 0, 5 – 100 л;

2) для пилотных – 100 л – 5 м³;

3) для промышленных биореакторов – 5 – 1000 м³ и более.

На каждом из этапов наращивания масштаба биотехнологического процесса (масштабирования процесса) – решаются свои задачи налаживания производства и его оптимизации.

Лабораторные аппараты по форме и устройству систем перемешивания и аэрации напоминают промышленные (Рис.47). Они подразделяются на те же типы, что и промышленные биореакторы. Однако в лабораторных масштабах обычно используют аппараты с механическим перемешиванием и барботажем. Для успеха масштабирования существенным является не сохранение принципа конструкции, а соответствие важнейших характеристик процесса.

По принципу теплообмена и стерилизации лабораторные аппараты делятся на две категории:

1) аппараты, лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации (их помещают в водяные бани с постоянной температурой, а стерилизацию проводят в автоклаве);

2) аппараты, имеющие собственные системы теплообмена и стерилизации.

Лабораторные биореакторы используют для решения следующих задач:

1) кинетических – измеряют скорость роста клеток, утилизации субстратов и образования целевого продукта;

2) некоторых массообменных – рассчитывают коэффициенты массопередач, скорость поступления в среду кислорода и других газов, скорость освобождения среды от газообразных продуктов жизнедеятельности (СО₂);

3) стехиометрических – устанавливают коэффициенты в брутто-уравнениях химических реакций, связывающих потребленные субстраты и кислород с получаемыми целевыми и побочными продуктами.

На этапе пилотных биореакторов в общих чертах возможно дублировать конструкционные детали промышленного аппарата и исследовать макрокинетику процесса – динамику потоков жидкости, газа, теплоты. На этом этапе выбирают тип аппарата, который далее применяют в промышленном масштабе. Для облегчения конструирования пилотных биореакторов и апробирования их различных вариантов, создают специальные наборы стандартных унифицированных деталей, которые можно соединять и компоновать в различных сочетаниях (рис. 48).

На этапе промышленного реактора производят синтез кинетических и стехиометрических характеристик, полученных на лабораторном аппарате, с гидродинамическими, массо- и теплообменными закономерностями процесса, выявленными на пилотном биореакторе. Однако при масштабировании параметры процесса не могут сохраниться в неизменном виде. Установлено, что при одной и той же среде культивирования и конструкции аппарата, при совпадающих температурах, рН и скорости перемешивания уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться.

Например, в лабораторных биореакторах процесс может протекать вообще без перемешивания. По мере увеличения объема биореактора даже при интенсивном перемешивании в аппарате появляются зоны неоднородности, недостаточной аэрации, массообменные характеристики различаются по зонам реактора. Этот пример показывает, что для сохранения параметров процесса при изменении объема аппарата нередко требуется менять его конструкцию, жертвовать второстепенными характеристиками ради сохранения главных.

Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы различаются по условиям теплообмена. В лабораторных аппаратах одним из основных «генераторов теплоты» служит механическая мешалка, вклад метаболических процессов в разогрев среды незначителен. Для эффективного теплообмена в этом случае достаточно теплообменной рубашки по всей высоте реактора. В пилотном биореакторе, а еще в большей степени в промышленном реакторе соотношение между поверхностью и объемом аппарата снижается, поэтому внешней теплообменной рубашки недостаточно для эффективного отвода теплоты, поэтому вводят внутренние теплообменные элементы.

Из этого следует, что при переходе от лабораторного биореактора к пилотному и далее к промышленному необходимо наряду с объемом менять конструкцию и режим работы аппарата.

Таким образом, центральной проблемой при масштабировании является выбор надежных критериев масштабирования с целью высокоэффективного и экономичного биосинтеза целевого продукта в промышленных условиях.