Промышленное осуществление микробиологических процессов. Оборудование

Технологические приемы и аппаратурное оформление процессов культивирования на производстве

Промышленные биореакторы являются сложными многопа- раметровыми аппаратами. Они классифицируются по разным признакам:

  • • по размеру и целевому назначению (лабораторные, опытно-промышленные или пилотные и промышленные);
  • • по режиму работы (периодические и непрерывно действующие);
  • • по условиям культивирования (аэробные и анаэробные; мезофильные и термофильные; для поверхностного и глубинного культивирования; аппараты для жидких сред, твердофазные и газофазные).

Рассмотрим сначала наиболее распространенные промышленные установки периодического действия для глубинного культивирования биообъекта в жидкой питательной среде по всему объему реактора.

Системы перемешивания

Эти аппараты в первую очередь классифицируются по способу перемешивания:

  • 1) на аппараты с механическим перемешиванием;
  • 2) аппараты с пневматическим перемешиванием;
  • 3) аппараты с циркуляционным перемешиванием.

Эти же аппараты классифицируют по принципу подвода энергии к той или иной фазе. Различают аппараты с подводом энергии к жидкой фазе, к твердой фазе и к газовой фазе.

Аппараты с механическим перемешиванием

Это — наиболее распространенные аппараты. Используются различные конструкции лопастей на центральном валу. В больших объемах мешалки многоярусные. Перегородки, приваренные к внутренней поверхности реактора, делают движение жидкости вихревым равномерным. Но перегородки могут обрастать грибами. Мешалка не должна разрушать мицелий грибов, суспензии клеток перемешиваются особенно нежно. Воронка вверху способствует аэрации, подаче кислорода. Для этого же используют полые мешалки, в них подают воздух. Рядом устанавливают вибратор-разбрызгиватель с барботером.

Такие аппараты широко применяются для культивирования дрожжей и получения продуктов с применением дрожжей.

Главным принципом конструкции является минимальное травмирование культуры.

Аппараты с пневматическим перемешиванием

Перемешивание осуществляется пузырьками газа.

Простейшее устройство для перемешивания — это барбо- тер, подающий воздух в нижнюю часть. Для лучшего распределения над барботером ставят вращающиеся диски с отверстиями. Часто применяется также диффузор — широкая труба над барботером. Внутри диффузора создается эффективный поток жидкости вверх. Снаружи жидкость спускается вниз. Можно организовать циркуляцию и в обратном направлении.

Циркуляционные биореакторы

Применение циркуляционных контуров. Пневматическое перемешивание применяют в колоночных реакторах, поделенных на «этажи» горизонтальными перегородками с отверстиями. Это способствует интенсификации процесса аэрации и перемешивания. Перегородки препятствуют укрупнению пузырьков, снижают угрозу избыточного пенообразования.

Такие «тихоходные» установки хорошо работают при культивировании клеток животных и тканей. Часто в этих условиях пробуждаются синтетические возможности свойственные целым растениям (Digitalis lanata, синтез |3-метилдигоксина). Барботажные колонны применяют при обработке промышленных отходов плесневыми грибами. Метод прост в исполнении, не требует больших затрат. Но он неприменим в системах с вязкими средами (грибы актиномицеты).

Но в соплоконусных реакторах струя воздуха врывается через узкое сопло на дне реактора в форме конуса. Биосинтез идет в пенном слое.

Аппараты с циркуляционным перемешиванием. Циркуляционный биореактор (по принципу падающей струи) с твердой насадкой для получения биогаза показан на рис. 3.1.

Циркуляция организована по замкнутому контуру. Жидкость увлекает за собой пузырьки газа. Насос может сочетаться с барботером.

В аппаратах типа «погруженной струи» насос перекачивает жидкость сверху вниз по внешней трубе, и она врывается в реактор снизу. Через эжекторы в стенках внешней трубы подсасывается воздух.

Многие циркуляционные биореакторы, подобно пневматическим, делятся перфорированными перегородками на горизонтальные секции. Это удобно в анаэробных процессах.

Схема ферментера с внешней принудительной циркуляцией

Рис. 3.7. Схема ферментера с внешней принудительной циркуляцией

Циркуляционные аппараты часто заполняются насадкой (твердые частицы). Это улучшает условия циркуляции. Для культивирования клеток используют песок, куски обожженной глины, гранулы полимеров. Часто прикрепление к поверхности стимулирует развитие м.о. Если упругие частицы насадки содержат полости, где скапливается биомасса, то по окончании процесса биомассу выдавливают из насадки, а частицы вновь загружают в реактор.

Пока еще теоретические положения о связи между типом процесса и типом аппарата — в стадии разработки.

Одна такая система предложена Т. Адлером (1985 г.), который сопоставляет характеристики питательных сред и технолого-экономические параметры процессов в реакторах разных типов на основе трехмерной диаграммы, приведенной на рис. 3.2.

Принципы классификации типов биореакторов

Рис. 3.2. Принципы классификации типов биореакторов

Например, механическое перемешивание не обеспечивает большой скорости массопередачи. Наиболее эффективный массообмен между газом и жидкостью достигается в реакторе циркуляционного типа.

Конструкции биореакторов постоянно совершенствуются.

Эффективность аэрации повышается с применением переносчиков кислорода, добавленных в среду для выращивания клеток. Эти добавки действуют по разному механизму: а) переносчик принимает кислород из газа и передает в жидкость;

  • б) переносчик принимает кислород в жидкости и передает его клетке;
  • в) переносчик принимает кислород из газовой фазы и отдает его клетке.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >