Получение готовой товарной продукции, а также обезвреживание отходов побочных продуктов обеспечивает постферментационная стадия. Культуральная жидкость, которая образуется в процессе ферментации - это сложная многофазная система: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха, не потребленные компоненты питательной среды. Концентрация целевого продукта обычно составляет в ней не более 1,5%, то есть 10% сухого остатка и меньше.
В зависимости от целевого назначения конечного продукта, его вида (культуральная жидкость или клетка) и его природы, на постферментационной стадии используют различную аппаратуру, способы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.
Конструкции ферментеров
Основное назначение ферментера состоит в том, чтобы обеспечить оптимальные условия для развития инокулята и образования целевого продукта. Если рассматривать общее устройство данного аппарата, то он, как правило, выглядит в виде вертикального стального цилиндра с полукруглым дном. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора. В верхней части находится крышка с отверстиями для ввода питательной среды, а из нижней сливается культуральная жидкость. Конструкция аппарата позволяет создать наилучшие условия для производства: он оснащен мешалками, трубками для подачи и вывода воздуха, приспособлениями, обеспечивающими равномерность концентрации растворимых веществ и коллоидных частиц в среде (рис.3). Главное требование к аппаратам — сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Рабочий объем ферментера (биореактора) обычно не превышает 7/10 общего объема.
Рис. 3. Устройство ферментера
Конструкции ферментеров (биореакторов)
В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, или биореакторы.
Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную среду (высота слоя составляет 80–150 мм), затем с потоком подаваемого воздуха среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность, температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.
При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10–15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.
Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача — обеспечение высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой.
По структуре потоков ферментеры (биореакторы) могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.
Конструктивные различия ферментеров определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:
• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе;
• ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе;
• ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.
Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. К таким ферментерам (биореакторам) относят:
• барботажные ферментеры, подача воздуха в которых осуществляется через барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;
• аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;
• трубчатые ферментеры (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь таким образом циркуляции;
• ферментеры с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости;
• ферментеры колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.
Ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе. К таким аппаратам относят:
• аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;
• ферментер с турбоэжекторными перемешивающими устройствами — аппарат, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор; для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.
Ферментеры с комбинированным подводом энергии. В этих аппаратах осуществлен подвод энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментер представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом мешалки.
Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой используются аппараты с механическим, пневматическим и циркуляционным перемешиванием.
Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку, состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.
Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрация усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во внешний по отношению к диффузору объем среды.
Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи», типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами (насадкой).
Тип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой — скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью.