Контент-платформа Pandia:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Ферментеры и их роль в биотехнологических процессах

 просмотров

УДК 66

ФЕРМЕНТЕРЫ И ИХ РОЛЬ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Петрашова Я. C., группа БИО-301

Научный руководитель: , к. т.н., доцент

В современном мире множество продуктов и веществ производится из других составов с помощью микроорганизмов. Конечно же, это происходит не само собой, а в специальных, микробиологических лабораториях. Процесс, который осуществляют в этом случае микроорганизмы, называется ферментацией, а прибор, в котором они находятся в это время, называется ферментер или биореактор.

Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (то есть процессы массо - и теплообмена) [1] (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема ферментера

Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые от 1 до 10 л, многотоннажные более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств.

В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, так, например, аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот [2]. 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 могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.

Конструктивные различия ферментеров определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:

1.  ферментеры с подводом энергии к газовой фазе;

2.  ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе;

3.  ферментеры с комбинированным подводом энергии.

В аппаратах первого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. К таким ферментерам 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 барботируется через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

К ферментерам с подводом энергии к жидкой фазе относят:

• аппараты с самовсасывающей турбиной, имеющие 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;

• ферментеры с турбоэжекторными перемешивающими устройствами - аппараты, разделенные 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.

В ферментерах с комбинированным подводом энергии 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. Такие биореакторы классифицируют по способу перемешивания, в соответствии с которым 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.

В аппаратах 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 [3].

В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование, рН, рО2, рСО2 среды) [4].

Главное требование к аппаратам - сохранение стерильности, поэтому они должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны для обработки горячим паром. Основное предназначение этих приборов - обеспечение нормального функционирования и жизнедеятельности всех микроорганизмов, находящихся внутри него. А это значит, обеспечение их воздухом и питанием, а также отвод метаболитов. Как уже было сказано, все эти процессы осуществляется путем постоянного и равномерного перемешивания [5].

Ферментеры применяются в различных областях микробиологической и биотехнологической промышленности. Например, для создания лекарств, вакцин, продуктов пищевой промышленности, а также различных других химических соединений, использующихся практически во всех сферах современной жизни [6].

Конечно же, качество проводимой культивации зависит не только от типа устройства, но и от фирмы-производителя. Существует несколько лидеров по производству ферментеров как на отечественном, так и на зарубежном рынке. Однако общепризнанным передовиком в ферментации в микробиологии считается продукция, завезенная из Германии – биореакторы и ферментеры Sartorius (рис. 2).

Рис. 2. Ферментер BIOSTAT фирмы Sartorius

Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом постоянно совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например, фирма New Brunswick Scientific Co., Inc. (США) предложила следующие типы ферментеров: Био-Фло III, Микрос I, оснащенные микропроцессором и имеющие возможность работать с ПК [7].

Стадия ферментации - центральная среди этапов биопроизводства, поэтому использование ферментеров является основой большинства микробиологических и биотехнологических процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Егорова, : учебное пособие для вузов / , . – М.: Высшая школа, 1987 – 208 с.

2.  www. *****.

3.  dic. *****.

4.  Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие / , , , . – Ростов-на-Дону.: Феникс; Томск: Издательство НТЛ, 20с.

5.  Биотехнология: учебное пособие для студентов вузов / [и др.] / под ред. . – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр "Академия", 20с.

6.  www. *****.

7.  www. *****.

Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Биотехнологии

Проекты по теме:

Биология
Основные порталы, построенные редакторами

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалоги
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьер

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказЭкономикаРегионы РоссииПрограммы регионов
История: СССРИстория РоссииРоссийская ИмперияВремя2016 год
Окружающий мир: Животные • (Домашние животные) • НасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШкола
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовМуниципалитетыМуниципальные районыМуниципальные образованияМуниципальные программыБюджетные организацииОтчетыПоложенияПостановленияРегламентыТермины(Научная терминология)

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства