Требование к оборудованию процессов в биотехнологии и методы их усовершенствования

Число используемых процессов в биотехнологии достаточно велика. В зависимости от вида процесса, применяемых сырья и культуры микроорганизмов используется различные оборудование (исходя из предъявляемых требований к аппаратуре). Для проведения анаэробных биотехнологических процессов (производство этанола, органических кислот, некоторых вакцин и др) не требуется подачи воздуха в аппарат, обычно не надо интенсивно перемешивать среду, а ряде случаев отпадает необходимость соблюдать асептические условия культивирования (культивирование дрожжей).

Для осуществления аэробных процессов производств а биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, ферментов, антигенов, некоторых вакцинных препаратов), напротив, необходимо обеспечить интенсивную аэрацию и перемешивание культуральной жидкости, соблюдать строго асептические условия, решить сложные вопросы пеногашения и т.д. Поэтому возникает стерилизовать поступающий на биопредприятие и в аппаратуру воздух, зонировать помещения, стерилизовать приборы и аппараты.

Чтобы процесс культивирование микроорганизмов проходил продуктивно, необходимо соблюдать следующие правила:

1. Обеспечить подвод кислорода к клеткам и отвод образующегося диоксида углерода из культуральной жидкости (аэробы).

2. Интенсивно перемешать культуральную жидкость для её гомогенизации, обеспечение доступа жидких и газообразных субстратов ко всем клеткам, для удаления застойных зон в среде.

3. Осуществлять стерилизацию биореактора и связанных с ним коммуникаций, обеспечить асептические условия проведения процесса культивирования.

4. Иметь системы контроля за ходом культивирования, необходимые для реализации процесса ферментации (регулярный отбор проб и определения концентрации микроорганизмов для продуктов микробного синтеза и др).

С учётом этих требований, а также особенностей конкретных процессов разработано большое число конструкций аппаратов для культивирования.

Оборудование для биотехнологической промышленности изготавливают из высоколегированных марок нержавеющей стали, что в значительной степени оправдано (рисунок 3).

Внутренняя поверхность стенок биореактора, применяемого для глубинного культивирования микроорганизмов в стерильных условиях, должна бать тщательно отполировано, желательно до зеркального блеска. Наличие грубообработанных стенок может привести к загрязнению культуры посторонней микрофлорой, особенно в условиях непрерывного культивирования, длящегося до 30 и более суток.

Трубопроводы, подводимые к биореакторам и др. аппаратам, с которым они технологически связаны, должны располагаться системно и обеспечивать возможность их раздельной стерилизации.

Конструктивное оформление биореактора определяется также выбранным способом отвода тепла. Известно, что в зависимости от природы микроорганизма и стадии его развития изменяется количество выделяемого тепла.

Выбор или разработка биореакторов осуществляется исходя из их назначения. Для исследовательских целей выбираются аппараты с универсальной системой перемешивания, для промышленных целей – специализированные. Исследовательские уствановки выпускаются практически в каждой стране с развитой биотехнологией. В литературе (6 доп) представлены основные группы наиболее сложных аэробных глубинных ферментаторов и приведены их основные характеристики, на основе которых, в зависимости от свойства применяемых биологических агентов, может быть сделан предварительный выбор аппарата. Неотъемлемым элементом ферментаторов является система пенорегулирования.

После предварительного выбора принципиальной конструкции аппарата, основываясь на знании тонкостей технологии биосинтеза, особенностей биотехнологических процессов, на производственном опыте, даже на традиции, проводятся расчеты механической прочности, поверхностей теплопередачи, аэрационных устройств, сечений технологических подводов/отводов, производительности и др., имеющие многообщего с таковыми для химических реакторов, а также аппаратов в пищевой промышленности. Для практического выбора (разработки) биореактора весьма сложную задачу представляет идентификация условий аэрации и перемешивания для проектируемого процесса и их конструктивное обеспечение путем выбора (проектирования) внутренних конструкций аппарата.

Выбор и типа конструкции биореактора зависит от пенообразующих свойств среды и способа пеногашения. Под влиянием жиров и др. химических пеногасителей значительно изменяется проницаемость цитоплазматической мембраны, ухудшается обмен веществ, что в свою очередь приводит к ингибированию биосинтеза. Поэтому стремление к полной или, если это невозможно хотя бы частичной замене химических средств пеногашения механическими, что влечет за собой конструктивное изменения аппарата.

Применение эффективных механических способов пеногашения без добавления химических пеногасителей усложняет конструкцию аппарата, но при этом значительно снижает расход дефицитных жиров и одновременно интенсифицирует биосинтез.

Значение процесса аэрации культуральной жидкости не ограничивается лишь доставкой О2 в клеткам. В последнее время все большее внимание исследований уделяется вопросам десорбции газообразных продуктов метаболизма и, прежде всего, диоксида углерода. Установлено, что лимитирующим фактором при культивировании может быть не массообмен по кислороду, а недостаточная интенсивность десорбции газообразных продукции метаболизма. В частности, предполагается наличие как минимальной, так и максимальной критических концентраций СО2.

Процесс аэрации неизбежно сопровождается перемешиванием культуральной жидкости. Однако этот процесс неизбежно связан с механическим воздействием на клетки. Последствия этого воздействия могут быть благоприятными, если наблюдается разрушение конгломератов (гранул) клеток, и вредными, если наблюдается разрушение или повреждение клеток.

Следовательно, для каждого контрольного процесса культивирования перемешивание лимитирует процесс по одному из следующих трёх направлений:

1. Массопередача газ-жидкость (создание одинаково высокой турбулентности питательной среды по всему объему аппарата не удаётся, поэтому стремится к тому, чтобы вся жидкость прошла через зоны, где турбулентность наиболее интенсивна).

2. Массапередача жидкость-клетка (определяется перемешиванием в околоклеточной зоне и зависит от размеров клетки).

3. Механическое воздействие на клетку (зависит от срезывающих усилий, возникающих в жидкости из-за градиента скорости (сдвига). Количественно срезывающие условия обычно характеризуются окружной скоростью лопасти мешалки).

Культуральные жидкости являются классическим примером жидкости, которая хорошо пенится.

Пенообразование при проведении аэробного процесса культивирования, следует отнести к категории вредных явлений, осложняющих ведение процесса, поскольку:

- образование пены ведёт к уменьшению коэффициента заполнения культиватора;

- увеличиваются потери из-за уноса культуральной жидкости; - затрудняется борьба с загрязнениями и могут выйти из строя фильтры для очистки аэрирующего воздуха;

- пенообразование ухудшает условия снабжения микроорганизмов О2, питательными веществами и отвода продуктов метаболизма.

Для регулирования уровня пены при культивировании микроорганизмов и предотвращения её выброса из биореактора используют различные методы. Их можно разделить на пять групп.

1. Воздействие на пену химическими и физико-химическим средствами; использование питательных сред с пониженными пенообразующими свойствами; добавление ПАВ, уменьшающих прочность плёнок пены.

2. Разрушение пены механическими, гидро- и аэродинамическими способами; ударное воздействие поверхностей деталей и элементов; воздействие жидкости или газа; сепарирование пены инерционными, центробежными и другими методами; лёгкое изменение давление газа в пене; захват и разрушение пены потоками перемешиваемой жидкости.

3. Разрушение пены при физических воздействиях: колебания звуковой и ультразвуковой частоты; термическое пеногашение острым паром или при помощи нагретой жидкости; электрическое пеногашение.

4. Стабилизация уровня пены путём временного уменьшения расхода аэрирующего воздуха, отключение механической мешалки, вывода избыточной пены из аппарата.

5.Комбинированные воздействия. На практике применяются в основном химические и механические способы пеногашения, а также их сочетания.

Механические устройства для пеногашения бывают двух типов - вращающиеся и неподвижные (статические).

Действие вращающихся механических устройств для пеногашения основано на разрушении пузырьков пены при контакте с их рабочими поверхностнями. Одна из простейших и наиболее характерных конструкций механического пеногасителя – гладкий диск, вращающийся с большой скоростью над поверхностью пены.

Комбиноированные системы автоматического пеногашения позволяет наиболее эффективно регулировать уровень пены в ферментаторе при минимальном расходе электроэнергии и химического пеногасителя. Стабильность уровня пены обеспечивает наиболее благоприятные условия для снабжения микроорганизмов О2 и отвода СО2.

Аппаратурное оформление технологических стадий производства противовирусных вакцин существенно отличается от аппаратурного решения производства противобактерийных вакцин в силу своей строгой специфичности.

Часть гормональных препаратов предпочтительнее производить в культурах клеток (гормоны, имеющие 50 – 200 аминокислот). Используемые среды для систем клеток животных могут быть сложными (60 компонентов и более) В то же время исследователи располагают пока ещё недостаточной информацией о том, что и как генерирует растущая клетка, и что и как она секретирует в окружающую среду. Поэтому пока трудно сказать, какая конкретно требуется новая среда, но она должна быть дешевле существующих, проще в изготовлении и применении, содержать меньшее число компонентов, обладающих большей химической определенностью, и отличаться большей универсальностью.

Существуют два основных подхода к созданию необходимого оборудования. Первый подход предполагает создания оборудования, предназначенного для ведения в оптимальных условиях только данного специфического процесса. Второй подход заключается в том, чтобы сконтруировать многоцелевое оборудование, способное выполнять любой вид работы из заданной программы.

Примером первого подхода может служить создание аппаратуры для производства клеток животных, способных к генерированию целевых продуктов.

Альтернативная методология, предусматривающая иммобилизацию клеток на поверхности элементов насадочного слоя, заключается в содержании клеток внутри пористых матриц. Такие системы были проверены в аппаратуре для производства антител из гибридомных клеток.

Разрабатывается аппаратура, позволяющая осуществлять гомогенное или квазигомогенное культивирование клеток животных (т.е. на микроносителях) в масштабах от 100 до 1000 л; с его помощью можно выращивать клетки животных (включая гибридом) в суспензии. Незначительная модификация (ввод воздуха и установка мешалки с приводом) приводит к тому, что данное оборудование становится пригодным для производства бактерий, дрожжей и грибов. В принципе, в таком оборудовании можно производить и культуру клеток растений.

Однако, во всех случаях отбор оборудования необходимо производить с учётом показателей, характеризующих его эксплуатационно-производственные качества, сопоставимые с оборудованием альтернативных систем, например: эрлифтные и башенные или колоночные биореакторы, аппараты с тяговыми трубами и др. В этом состоит суть технологической оценки конкурирующих аппаратов. Как и в других областях биотехнологии, в области культивирования клеток животных и получения из них целевых продуктов невозможно увеличить размер рабочего оборудования без изменения его основных геометрических свойств и массообменных характеристик (отношение жидкости к её объему и вводимой мощности к объему жидкости, а также коэффициента массопередачи кислорода ).

Для оптимизации работы оборудования и процессов необходим монтаж в рабочем схеме соответствующих датчиков локальных и управляющих компьютеров, а также электронно-вычислительных машин. Основной целью оснащения биологических процессов современными оборудованием, техническими средствами механизации и автоматизации является повышение производительности и качества биопрепаратов, охрана труда и вопросы экологии. Широкое привлечение в биотехнологии методов математического моделирования, оптимизации, масштабирования, реализации системного подхода с использованием экономико-математических методов автоматизации и методов кибернетики придало этому направлении своеобразные черты, обусловленные характером технологии, подчиненностью потребностям и специфики живых объектов и своеобразными чертами экономики биотехнологических процессов и их аппаратурного оформления.

Литература:

Основная – 3 [74-81]; 4 [78 85].

Дополнительная – 6 [191-201].

Контрольные вопросы:

1. Требования к оборудованию биотехнологических процессов.

2. Чем определяется конструктивное оформление биореактора?

3. Пенообразование, пеногашение, сущность процессов.

4. Перспективные направления в области создания современного оборудования для биотехнологических процессов.

Лекция №7.