Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Принципы действия и конструкции биореакторов
Биореактор – это система, имеющая ограничивающую поверхность, в которой протекают биохимические реакции. Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов и/или различные химические превращения. Однако существуют принципы, общие по форме, но различающиеся по практической реализации: 1) принцип масштабирования – поэтапное увеличение объема аппаратов; 2) принцип однородности физико-химических условий – температуры, рН, концентрации растворенных веществ (кислород и др. газы) во всем объеме аппарата. Для биотехнологических процессов характерны следующие этапы: 1) загрузка субстратов для реакций синтеза; 2) превращения субстратов; 3) отделение и очистка целевого продукта. Биотехнологические процессы имеют свою специфику – в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает влияние на процессы массопередачи – обмена веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и теплообмена – перераспределения тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Именно поэтому важной составной частью биореактора является система перемешивания, служащая для обеспечения однородности условий в аппарате. Многие биотехнологические процессы являются аэробными. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Очень часто потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода. Теплообмен является важной составной частью процессов, протекающих в биореакторе, т.к. жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, определяется: - резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры; - необратимой денатурацией биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня. Большинство процессов протекает при температурах 30-50°С (мезофильные условия). В этом случае для поддержания оптимума температуры специальный подогрев используют в редких случаях. Однако для удаления избыточной теплоты, выделяемой в процессе жизнедеятельности культивируемых клеток, в биореакторе должна быть система теплообмена. Эта система должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне (режим термостатирования) или контролировать ее изменения по заданной программе. Серьезной проблемой для аэрируемых биотехнологических процессов является вспенивание культуральной среды – образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (продукты распада жиров – мыла, белки). Пенный слой поверх среды культивирования в биореакторе имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое – «кислородном коктейле» - наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/воздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Однако нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому система пеногашения – необходимая составная часть реактора. Система стерилизации представляет собой специфический элемент биореактора. Устранение посторонней микрофлоры из реактора до введения в него штамма-продуцента, поддержание чистоты культуры на всем протяжении биотехнологического процесса, надежная стерилизация питательных сред, добавочных компонентов, титрантов, пеногасителей, подаваемого в биореактор воздуха – принцип асептики биотехнологического производства. В последнее время в биотехнологии стали применять принцип дифференцированных режимов культивирования: разные этапы одного процесса осуществляют при различных условиях, варьируя такие параметры, как температура, рН среды и др. Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов современный биореактор должен обладать следующими системами: 1) эффективного перемешивания и гомогенизации питательной среды; 2) обеспечения доступа и быстрой диффузии газообразных агентов (система аэрации среды); 3) теплообмена; 4) пеногашения; 5) стерилизации сред, аппаратуры и воздуха; 6) контроля и регулировки процесса. Как сложные многопараметровые аппараты, биореакторы могут быть классифицированы по ряду критериев: 1) по размеру и целевому назначению: - лабораторные; - опытно-промышленные (пилотные); - промышленные; 2) по режиму работы: - периодические; - периодический режим с доливом субстрата; - полупериодические; - непрервно-проточные. 3) по условиям культивирования: - аэробные и анаэробные; - мезофильные и термофильные; - для поверхностного и глубинного культивирования; - аппараты для жидких питательных сред, твердофазные и газофазные.
|