Реферат: Биореакторы (ферментаторы)

Белорусский ГосударственныйУниверситет

Биологический факультет

Биореакторы

Реферат

студента2-го курса

БабицкогоМирослава

Минск 2003 г.

Биореакторы (ферментаторы)  составляют основубиотехнологического производства. Масса аппаратов, используемых, например, вмикробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большейчастью экономическими соображениями. Применительно к ферментаторам различаютследующие типы их: лабораторные емкостью 0,5—100 л, пилотные емкостью 100л—10м3, промышленные емкостью 10—100 м3 и более.

При масштабировании добиваются соответствия важнейшиххарактеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вноситьопределенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения («ласкатьглаз»). В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легкодоступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требованийгигиены и санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазкии чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадатьвнутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечныепродукты.

Техническую вооруженность биотехнологических процессовцелесообразно условно ограничить аппаратурным оформлением производств,базирующихся на культивировании: 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканейрастений, 3) клеток и тканей животных организмов и человека. Такоеподразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращиваютв 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, 1°, подачииеногасителя, система контроля расхода воздуха, пробоотборник,электродвигатель.

Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также какбактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чембольшинство бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы ваппаратурное оформление соответствующих биотехнологических процессов.

Культуры клеток животных и человека, не имеющие клеточныхстенок, являются более ранимыми и требовательными к условиям своегосуществования, чем клетки других эукариот и прокариот. Поэтому оборудование дляних можно отнести к разряду «тихоходного», обеспечивающего нежноеобращение с биообъектами.

Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения,например, когда возможно культивирование в глубинных условиях некоторых растительныхклеток (суспензионная культура женьшеня), используя ферментационноеоборудование, рассчитанное на выращивание, например, бактерий или грибов.

К. Шюгерль в 1982 г. предложил подразделить биореакторы на 3основные группы согласно способу потребления энергии для перемешивания идиспергирования г стерильного воздуха (газа):

 - 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 иподачу газа в культуралъную жидкость.

/>

Биореакторы для аэробных процессов: с расходом энергии намеханическое движение внутренних устройств а — 1, 2. 3; с расходом энергии наработу насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б — 4; срасходом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в — 5 (г — газ. ж — жидкаяфаза, д — двигатель).

Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевыеорганизмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологическихпроцессах (хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиковпродвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры длякультивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков,полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений). Были предложеныразличного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако всеконструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными побольшинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: безподводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов).Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них.

/>Ферментаторпериодического действия (1 — турбинная трсхярусная мешалка, 2 — охлаждающийзмеевик. 3 — секционная рубашка. 4 — отражательная перегородка. 5 — барботер.П-пар); I—XI — материальные и вспомогательные трубопроводы сзапорно-регулирующими устройствами (I — посевная линия. I —подача стерильногосжатого воздуха. III — подача пара, IV — удаление отработанного воздуха. V —загрузочная линия, VI — линия введения добавок, VII подача пеногаситсля, VIII —подача моющего раствора. IX — пробоотборник. X -выдача продукта, XI — выдача вканализацию через нижний спуск).

Впоследние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми волокнами инекоторые другие.

При расчете иконструировании биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологическихпроцессов у представителейразличных групп организмов.

Некоторыетехнические характеристики промышленного биореактора в сравнении с пилотным илабораторным приведены в таблице:

Характеристика Показатели для аппаратов

промышленного на 100 м3

пилотного на 150 л лабораторного на 10 л Внутренний диаметр, мм 3600 420 Высота, мм 15715 1140 Рабочий объем, л 1 100 2-6 Диаметр турбин, мм 900 140 Число турбин 1-2 (диаметр 3 2 рабочего колеса 960 мм) Число отбойников 4 4 ± Частота вращения вала мешалки, об/мин 173 125-990 200-1500 Мощность электродвигателя мешалки, кВт 160 2,2 Не более 2 Мощность электродвигателя пеногасителя, кВт 4 0,73 Максимальное количество отработанного пеногасителем газа.

м3/мин

100-110 0,3 Частота вращения вала пеногасителя. об/мин 725 3000

Размерыферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, которыйварьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и чащеиспользуемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Этиферментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в аппарат энергиидля перемешивания газовой фазой (ФГ), жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкойфазами (ФЖГ).

Ферментаторы Характеристика конструкции аппарата Тип аппарата ФГ с подводом энергии газовой фазой Простота конструктивного осрормления и высокая надежность в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей Барботажный. барботажно-эрлифтный. колоночный (колонный), форсуночный ФЖ с подводом энергии жидкой фазой Обычно энергия передастся жидкой фазе самовсасынающсй мешалкой или насосом Эжекционный. с циркуляционным контуром, с нсасывающей мешалкой ФЖГ (комбинированные) 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 Барботажный с механическим перемешиванием

Сиспользованием указанных выше классификаций удается разработать единые методыинженерных расчетов основных конструктивных элементов и режимов работыферментаторов.

Ферментаторыуказанных трех групп имеют большое количество общих элементов. Различие жесостоит в конструкциях аэрирующих и перемешивающих устройств. Примеромконструктивного оформления ферментатора группы ФГ может быть аппарат с эрлифтомвместимостью 63 м3. В аппарате отсутствует механическое перемешивание, поэтомупроще поддерживать асептические условия. Воздух для аэрации среды подастся потрубе, расположеннойвертикально в ферментаторе. Аэратор, конструкция которого обеспечивает вихревоедвижение выходящего воздуха, расположен в нижней части диффузора и насыщаетпитательную среду воздухом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору иперемешивается через его верхние края. В этой же зоне часть воздуха уходит изаппарата, и более плотная среда опускается вниз в кольцевом пространстве междукорпусом ферментатора и диффузором. Так происходит многократная циркуляциясреды в ферментаторе. Для отвода биологического тепла внутри ферментатораустановлен змеевик, а также аппарат снабжен секционной рубашкой. Недостаткомэтих аппаратов является низкая интенсивность массообмсна по кислороду. Известныферментаторы этого типа объемом 25, 49, 63 и 200м3.

/>

Ферментатор сэрлифтом: 1 — штуцер для слива, 2 — аэратор, 3 — змеевик, 4 — штуцер длязагрузки. 5 — люк, 6 — корпус аппарата, 7 — диффузор, 8 — рубашка, 9 — труба передавливания.

Широкоераспространение в производстве кормового белка получили ферментаторы ссамовсасывающими мешалками (рис. 91). Это ферментаторы из группы ФЖ. Длявыращивания чистой культуры дрожжей созданы ферментаторы вместимостью 0.32, 3.2и 50 м3. Ферментатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат,снабженный циркуляционными, теплообменными и аэрирующими устройствами. Вкачестве циркуляционных устройств использованы системы направляющих диффузоров,разграничивающих восходящие и нисходящие потоки. Теплообменные устройствавыполнены в виде трубок, установленных в трубных решетках диффузоров.

/>

 Ферментаторс самовсасывающей мешалкой непрерывного действия: 1 — корпус, 2 — диффузор, 3 —самовсасывающая мешалка. 4 — теплообменник, 5 — фильтр.

Напредприятиях микробиологической промышленности при выращивании дрожжей в средахс жидкими парафинами также применяют ферментаторы с самовсасывающими мешалкаминепрерывного действия. Емкость его 800 м3 (рабочий объем 320 м3) разделена на12 секций. Ферментационная среда последовательно проходит все секции, и изпоследней выходит культуралъпая жидкость с минимальным содержанием н-парафинови максимальной концентрацией биомассы. В каждой секции установленоперемешивающее и аэрирующее устройство и змеевики для отвода тепла. Ферментаторыпериодического действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в

промышленностидля получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ(см. рис. 88). Его конструкция обеспечивает стерильность ферментации в течениедлительного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста ижизнедеятельности продуцента. Ферментаторы такой конструкции изготавливают на1,25; 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 и160,0 м3. Как видно из рисунка, это цилиндрический вертикальный аппарат сосферическим днищем, снабженный аэрирующим, перемешивающим и теплопередающимустройствами. Воздух для аэрации поступает в ферментатор через барботер,установленный под нижним ярусом мешалки. С точки зрения эффективностидиспергирования воздуха конструкция барботера принципиальной роли не играет приналичии мешалки, однако, с точки зрения эксплуатации, наиболее удобным являетсяквадратный барботер, который получил наибольшее распространение. Отверстия вбарботере направлены вниз, во избежание засорения биообъектами. Общая площадьотверстий должна быть на 25% больше площади поперечного сечения трубопровода,подводящего воздух. Барботер по своим размерам должен соответствовать диаметрумешалки, чтобы выходящий из него воздух попадал в зону ее действия.

Эффективностьработы ферментатора определяется прежде всего необходимой интенсивностьюперемешивания. Перемешивающие устройства служат для сохранения равномерноготемпературного поля по всему объему аппарата, своевременного подвода продуктовпитания к клеткам и отвода от них продуктов метаболизма, а также интенсификациимассопередачи кислорода. Для создания в ферментаторе условий «полногоотражения», во избежание образования вращательного контура, который резкоснижает интенсивность перемешивания, в аппарате устанавливают отражательныеперегородки (отбойники). Ширина их составляет (0,1—0,12) dM. Обычно рекомендуютустанавливать 4 отражательных перегородки, несколько отступая от стенокферментатора.

Важнымэлементом в конструкции ферментатора являются теплообменные устройства.Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированныхпитательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание — все этифакторы сказываются на существенном возрастании тепловыделений, и для отводатепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменныеустройства. Промышленные ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, авнутри аппарата — четыре змеевика.

Разработчикиаппаратуры в нашей стране и за рубежом постоянно совершенствуют конструкциибиореакторов. Так, например, фирма New Brunswick Scientific Co., Inc. (США)предложила следующие типы ферментаторов: Био-Фло III — для периодического инепрерывного культивирования микробных, животных и растительных клеток,совмещенный с микропроцессором и персональным компьютером; Микрос I — длякультивирования микроорганизмов (совмещен с микропроцессором) и промышленныеферментаторы емкостью от 40 до 4000 литров и более (совмещены смикропроцессорами). В Датской мультинациональной компании Gist-Brocades в 1987г. сконструирован и изготовлен самый большой промышленный ферментатор дляпроизводства пенициллина (200 м3).

                                                                                                                          

еще рефераты
Еще работы по биологии