КЛАССИФИКАЦИЯ БИОРЕАКТОРОВ ПО ФУНКЦИЯМ И ТИПУ

В настоящее время существует шесть основных типов конструк­ций биореакторов: 1) сосуды без внутренних частей, сосуды с переме­шиванием (мешалкой) и барботажные колонны; 2) колоночные ре­акторы с твердой укладкой; 3) биореакторы со взвешенным слоем; 4) петлевые реакторы (с замкнутым контуром); 5) круговые кюветы (разновидность горизонтального петлевого реактора); 6) вращающи­еся диски.

Ферментеры для лаборатории объемом до 20 л изготавливают из стекла, более крупные конструируют из нержавеющей стали. Реакто­ры вплоть до 3 м³ могут быть стандартизованы. Если объем и харак­тер процесса меняются, то и геометрию ферментера чаще всего изме­няют. Отношение его высоты к ширине варьируется от 2: 1 до 6: 1, при этом мешалка может находиться в верхней или нижней части биореактора.

Функции биореактора. Для функционирования биореактор дол­жен иметь определенные эксплуатационные параметры. Во-первых, не должно быть выхода клеток из реактора, так как необходимо под­держивать высокую концентрацию биомассы и не допускать инфи­цирования внешней среды (например, при обработке патогенных сточ­ных вод). Во-вторых, недопустимо проникновение посторонних мик­робов в биореактор. В-третьих, должна быть возможность введения субстрата и кислорода. В-четвертых, обязательны выведение продук­тов (СО₂ среди прочих), осуществимость дисперсии газов и жидко­стей (в случае нерастворимых жидких субстратов) и последующее суспеидирование твердых частиц (твердых субстратов и самих мик­роорганизмов).

При этом важнейшим параметром биореактора является удале­ние тепла.

Типы биореакторов. Биореакторы, используемые в промышлен­ном производстве, принадлежат в основном к одному из 3 классов: 1) без перемешивания, неаэрируемые сосуды составляют 86 %; 2) без перемешивания, аэрируемые — 1 %; 3) с перемешиванием и аэраци­ей — 13 %. Первый из них применяют для анаэробных периодиче­ских процессов, находящихся под кинетическим контролем.

В аэрируемых реакторах без перемешивания скорость поглоще­ния О₂ культурой может быть очень высокой, часто выше, чем допу­скают их возможности. Такие устройства в своем большинстве рабо-

тают в периодическом режиме с подпиткой и иногда как проточные. К ним относятся барботажиые колонные ферментеры.

В зависимости от способа распределения газа биореакторы с пе­ремешиванием и аэрацией делят на следующие типы, указанные на рис. 7.

Рис. 7. Биореакторы для аэробной ферментации: А — распределение газа пу­тем смешения: 1 — установка с вращающимися мешалками; 2 — вращающийся сосуд с глубинной трубкой; 3 — смеситель с вращаю­щейся мешалкой и засасываю­щей воздушной трубкой.

Б — распределение газа с помощью насосов: 4 — сплавлен­ный диск с рециклированием; 5 — распределение газа по прин­ципу эжекции; б — водоструйный аэратор.

В — распределение газа за счет избыточного давления газа: 7 — сплавленная дисковая сис­тема; 8 — система Эйрлифта;

9 — реактор, работающий под
давлением и с рециклированием;

10 — гигантский трубчатый ре­
актор; 11 — система каскадных
сетевых тарелок.

Г — непрерывная газовая фаза: 12 — струйный пленочный реактор; 13 — поверхностный пленочный реактор; 14 — колес-но-лопастный реактор

Первый тип предусматривает распределение газа путем переме­шивания с различным размещением мешалок и подачей воздуха. Та­кие биореакторы используются в производстве уксуса и переработке сточных вод, а также при получении биомассы. Газ подается с помо­щью компрессора (рис. 7, реакторы 1 — 3). В 4-м варианте раствор накачивается насосом и подающийся независимо от жидкости воздух активно перемешивается с движущимся потоком жидкости. В 5-м и 6-м реакторах подача воздуха производится за счет засасывания на­сосом жидкости, т. е. происходит прямое перемешивание жидкости и газа. Распределение газа может осуществляться за счет избыточного

давления сжатого воздуха (варианты 7 — 11). У большинства таких систем отсутствуют движущиеся части в стерильной области фер­ментера. Рециклирующий под давлением ферментер (реактор 9) был первой моделью Сиз этой категории), примененной в биотехнологии для получения в промышленности белка одноклеточных организ­мов. В 11-м варианте обогащение воздухом усиливается за счет уве­личения поверхности соприкосновения жидкости и газа при продав-ливаиии среды через поры сита.

Непрерывная газовая фаза. В струйном реакторе воздух цирку­лирует над пленкой микроорганизмов (пример 12). Организм растет на твердом, инертном материале. Питательный раствор и воздух спе­циальными насосами накачивается и разбрызгивается (распределяет­ся) по пленке. В поверхностном реакторе (вариант 13) микроорга­низм находится на поверхности в толще питательного раствора либо растет на полутвердой плотной среде. В колесно-лопастном реакторе (пример 14) он развивается на перемещающихся лопастях или бара­банах и попеременно погружается в питательный раствор, находя­щийся в нижней части установки, и в дальнейшем переходит в газо­вую фазу при повороте колеса. Такие биореакторы используют при очистке сточных вод, выщелачивании руд, в производстве уксуса или лимонной кислоты.

Мембранные реакторы. Кроме традиционных (с перемешиваю­щими устройствами) в промышленности находят применение мемб­ранные реакторы, имеющие некоторые преимущества перед первыми. Так, их использование позволяет перейти с периодического на непре­рывное культивирование в условиях высокой концентрации биомас­сы, непрерывного отвода из системы конечных продуктов, ингибирую-щих процесс. По типу мембранных функционируют рециклирующие биореакторы, работающие в проточном режиме при полном смешении, и биореакторы с полыми волокнами, действующие главным образом как реакторы полного вытеснения.

Главная реакционная емкость, в которой проводят ферментацию, связана с полузакрытым ответвлением — мембранным модулем. Че­рез него осуществляются сепарация микробных клеток от продукта и рециклирование их обратно в ферментационную емкость, через него же насосом выкачивается содержимое ферментера. Вначале реакци­онный ферментер заполняется культурой с определенной концентра­цией клеток, потом с нужной скоростью в него подается питательная среда. Молекулы продукта и остатки молекул субстрата, имеющие маленькие размеры, проходят через поры мембран и удаляются с той же скоростью, с какой поступает свежая среда, поэтому сохраняется постоянный объем. Для разделения микробных клеток и продуктов ферментации используют микрофильтры, или ультрафильтры с боль­шими порами и определенной модульной конфигурацией. Мембран­ные рециклирующие биореакторы по сравнению с реакторами с по­лыми волокнами имеют некоторые преимущества:

1) проточный процесс проходит более эффективно;

2) увеличивается плотность клеток — вплоть до 100 г/л (по
весу сухой биомассы);

3) высокая скорость разведения питательной среды в связи с
большой концентрацией клеток;

4) существует возможность использования как растворимых, так
и нерастворимых субстратов, чего нельзя осуществить в реакторах с
полыми волокнами и в биореакторах, работающих с иммобилизован­
ными клетками;

5) поток продуктов, выходящих из таких биореакторов, свободен
от клеток и других специфических материалов, что снижает стоимость
очистки. Поэтому в настоящее время они применяются при очистке
сточных вод. Перспективно их использование для производства эта­
нола, превращения D-сорбита в L-сорбозу уксусно-кислыми бактери­
ями, продукции молочной кислоты L. delbrueckii, а также ацетона и
бутанола. Однако есть и недостатки, связанные с переносом тепла и
массопередачей, — лимитирующие факторы. Например, в мембран­
ном реакторе в процессе получения спирта образуется в 50 раз боль­
ше тепла и газа на весь его объем, чем в традиционных ферментерах,
что требует серьезной перестройки.

Биореакторы с полыми волокнами используются редко, видимо, из-за низкой продуктивности и слабого потребления субстрата мик­роорганизмами. Одним из важных ограничивающих факторов их работы является транспортировка питательных веществ к клеткам и продуктов от клеток, отделенных от питательного раствора мембра­ной. Такие биореакторы можно использовать для осуществления ре­акций с нерастущими клетками.

При производстве вязких материалов сильно снижается OTR, осо­бенно если вязкость увеличивается до 0,1 (мН • с)/м². Нередко это явление наблюдается при получении полисахарида ксантаыа. В та­ких случаях используют двухфазную систему. Конверсия субстрата происходит в водной фазе, которая диспергируется в однородную фазу с органической жидкостью, имеющую низкую вязкость, но обладаю­щую хорошей растворимостью в ней кислорода. Даже при очень вы­сокой ее вязкости общая вязкость системы остается низкой. Жидкая фаза выполняет функции по переносу О₂, транспортировке микро­организмов и представляет собой среду для проведения конверсии. Указанные факторы открывают новые возможности для работы био­реакторной системы.

Для ферментации пищевого сырья, например зерна какао или кофе, используется твердофазная ферментация. Разработана новая система для получения этанола из твердых материалов (злаков слад­кого картофеля и кассавы). Влажный воздух циркулирует через био­реактор, заполненный субстратом. Этанол выделяют из газовой смеси, охлажденной до ~5 — 10 °С. Этот процесс протекает медленнее, чем традиционное его получение, но имеет преимущества: 1) образуется

меньше жидких отходов; 2) оставшиеся твердые остатки могут быть сразу же превращены в корма. Удаление этанола снижает его ииги-биторное действие на дрожжи.