Технология микробиологических объектов

     Обычно  только 70—80% объема реактора занимает жидкая фаза, а верхнюю его часть  заполняют газы. Часто перемешивание и аэрация жидкости способствуют образованию пены на ее поверхности, особенно если в среде в больших концентрациях содержатся пептиды

     Пена  препятствует газообмену между культуральной жидкостью и находящимся над ней пространством; она может выйти из ферментера и загрязнить систему, если составляющие пену пузырьки коалесцируют и образующаяся жидкая фаза вновь поступает в ферментер. В изображенном на рис. 9.36 ферментере для разрушения пены над уровнем жидкой фазы устанавливают дополнительную мешалку. В случае особенно устойчивых пен к культуральной жидкости добавляют особые вещества — пеногасители, дестабилизирующие пену путем снижения поверхностного натяжения.

     Змеевик теплообменника в реакторе может  выполнять несколько функций. Если предполагается периодически стерилизовать среду в самом ферментере, то змеевик должен обеспечивать необходимые скорости нагревания и охлаждения. Тепло-обменное устройство должно также справляться с пиковыми нагрузками, куда входят тепловые эффекты микробиологического процесса, а также вязкое рассеяние теплоты, выделяющейся при перемешивании (разд. 8.10). Коэффициенты теплопередачи для неинокулированной среды примерно равны коэффициенту теплопередачи воды, в то время как плотная мицелиальная культура по этим характеристикам приближается к пастам.

     Процесс в ферментере может продолжаться от суток (или даже менее) до 2 нед и более; чаще всего процесс биосинтеза антибиотика длится от 4 до 5 сут. В течение этого времени необходимо поддерживать строгий режим процесса, а в ряде случаев те или иные параметры необходимо изменять в соответствии с определенной программой. Такие проблемы в эксплуатации реакторов мы рассмотрим подробнее в гл. 10. Тем не менее даже наш краткий обзор может дать представление о сложности и трудоемкости асептических процессов ферментации, а также о высокой стоимости этих работ. Очевидно, в такой ситуации потеря продуктов даже одного периодического процесса может быть связана с очень большими расходами, что оправдывает отмечавшееся выше большое внимание, уделяемое стерилизации. 

     Биореакторы других типов 

     В табл. 9.13 перечислен ряд факторов, стимулировавших  разработку новых типов и конструкций  биореакторов. Многие из этих факторов сыграли свою роль при разработке компанией JCI чрезвычайно крупномасштабного   процесса   производства белка одноклеточных организмов. Общий объем соответствующего реактора составляет 2300 м3 (колонна диаметром 7 м и высотой 60 м, рабочий объем реактора 1560 м3)

     Более того, в этом реакторе микроорганизмы растут на метаноле, что приводит к выделению чрезвычайно большого количества тепла. При таком объеме ферментеры обычной конструкции с механическим перемешиванием и барботажем совершенно непригодны, что и послужило стимулом для разработки новых реакторов эрлифтного типа, упоминавшихся в предыдущем разделе.

     Предлагались  и другие конструкции реакторов, которые прошли испытания в различных   масштабах — от лабораторного прибора и пилотной установки до крупномасштабного промышленного аппарата. 

     Хорошая обзорная статья, посвященная сравнительному изучению реакторов различных конструкций и их характеристик с точки зрения эффективности использования энергии для диспергирования газа и перемешивания, опубликована Шюгерлем [50]. В этом обзоре предложено подразделять реакторы на три основных группы в соответствии со способом потребления энергии.

     В реакторах первой группы энергия  расходуется на механическое перемещение внутренних устройств (рис. 9.37). В некоторых из реакторов этой группы с помощью внутренних каналов устанавливается определенная структура течений, например циркуляция жидкости. Реактор 1.6 представляет собой горизонтально расположенный аппарат с циркуляцией жидкой фазы и с пеноотделителем, заполненным газожидкостной смесью. В реакторе типа 1.9 перемешивание происходит за счет пульсации жидкой фазы, а в реакторах конструкции (представлен вид сбоку) путем периодического погружения размещенных на вращающемся валу дисков в жидкую реакционную смесь, находящуюся в нижней части реактора.

     На  рис. 9.38 представлены конструкции реакторов  другой группы, в которых энергия, расходуемая на циркуляцию жидкости, подается с помощью насоса, расположенного вне реактора. 

     В реакторе 2.1 направленная сверху вниз струя жидкости стремительно уходит в реакционную смесь, а в конструкции 2.7 имеются сопла, распыляющие жидкость и расположенные на концах вращающегося стержня.

     Схемы реакторов последней группы, в  которых энергия расходуется на сжатие газа, поступающего в реактор, изображены на рис. 9.39. В большинстве реакторов этой группы имеются те или иные внутренние устройства, способствующие более тщательному диспергированию газа, а также различные устройства для циркуляции жидкой фазы. Дополнительные сведения о всех упомянутых конструкциях реакторов и расширенный перечень литературы читатель может найти в обзоре Шюгерля