Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 12 )

Такой способ, однако, трудно применить в аппарате большого размера.

3.Проблемы масштабирования ферментационных процессов

Технология любого производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000 л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.

Лабораторные ферментеры по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных условиях наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием.  По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок.  С помощью лабораторных  биореакторов решаются следующие задачи:

1)        кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;

2)        некоторые массообменные – расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О2 и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);

3)        определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.

Пилотные установки  используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирования промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов.

При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что даже при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться - ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.

  Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменятьи  конструкцию, и  подбирать режимы работы аппаратов. 

Лекция № 9 Отделение биомассы от культуральной жидкости.

Основные понятия Отстаивание и осаждение Центрифугирование и сепарация Фильтрация Флотация

Для отделения взвешенных биологических частиц от культуральной жидкости используются различные физико-химические свойства:

плотность частиц;

размер частиц;

поверхностные свойства частиц.

При разделении суспензий по плотности частиц используют следующие методы:

1)  седиментация (отстаивание) — для крупных частиц размером от 2,3 мкм до 1 мм, по плотности отличающихся от окружающего раствора;

2)  гидроциклонирование — от 5 до 700 мкм;

3)  центрифугирование — от 400 до 900 нм;

4)  ультрацентрифугирование — от 10 нм до 1 мкм.

По размеру частиц методы разделения биологических суспензий могут быть следующими:

1) фильтрация через тканевые фильтры — для частиц размером от 10 мкм до 1 мм;

2)  микрофильтрация — для частиц размером от 200 нм до 10 мкм;

3) ультрафильтрация, позволяющая отделять частицы размером от 10 нм до 5 мкм.

Для сведения: размеры микроорганизмов следующие: вирусы — чуть больше 10 нм, бактерии — 0,3—1,0 мкм (т. е. 300—1000 нм), дрожжи — 3—5 мкм, мицелий грибов и эритроциты — до 10 мкм.

Мицелиальные грибы имеют размеры микроколоний до 1 мм, что упрощает их отделение от жидкости. Есть также нерастворимые компоненты среды (мука, дробина в спиртовом производ-стве). Гранулы биокатализаторов имеют размеры около 1 мм (что-бы их легче было отделять).

Макромолекулы имеют размеры частиц в диапазоне 10—120 нм, микрочастицы — от 120 нм до 10 мкм, тонкие взвеси — от 10 до 100 мкм и грубые взвеси — от 100 мкм до 1 мм.

Поверхностные свойства частиц используются в процессе флотации. За основу в этом методе принимается не размер, а способность клеток удерживаться пузырьками воздуха; ориентировочный диапазон размеров флотируемых частиц варьирует от 1 до 200 мкм.

Конкретный выбор того или иного метода зависит от опытной проверки, так как не всегда точно известны свойства отделяемых частиц и их поведение в условиях использования тех или иных методов разделения.

Основные характеристики методов разделения суспензий под-робно рассматриваются в курсе «Процессы и аппараты химичес-кой технологии». Здесь же даны особенности их использования в биотехнологических процессах.

2. ОТСТАИВАНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ

Этот метод наиболее часто используют в процессах очистки стоков — отстаивание активного ила. Используется он также для отделения животных и растительных клеток, мицелиальных грибов и пивных дрожжей.

Для успешного проведения процесса отстаивания не обязательно сами микроорганизмы должны быть крупными: они могут концентрироваться на хлопьях, агломератах.

Часто процесс отстаивания комбинируется с предварительной коагуляцией или флокуляцией. В обоих случаях к суспензии добавляется реагент (соли алюминия или железа при коагуляции и полиэлектролиты при флокуляции).

Прикрепленные к длинным молекулам коагулянтов или флокулянтов несколько клеток создают основу агломерата, который в результате имеет больший вес и меньшую подвижность, что приводит к седиментации осадка (рис. 13.1).

Недостатками метода являются: большая продолжительность процесса (порядка нескольких часов) и не очень хорошее разделе-ние (в осадке концентрация биомассы не превышает 1—3 %). Скорость отстаивания зависит от размеров и плотности хлопьев, а также от их поверхностных свойств.

Применительно к осаждению осадка сточных вод — активного ила — используют иловый индекс, характеризующий содержание биомассы активного ила в осаждаемом слое за 30 мин отстаивания.

Но биологический осадок не является монодисперсным (частицы, а точнее агломераты, имеют разный размер). В результате высота слоя осадка изменяется со временем не по прямой ли-нии, а по кривой, причем скорость осаждения снижается во времени (рис. 13.2).

Еще чаще клетки с какого-то момента перестают осаждаться. Это связано с тем, что мелкие клетки имеют поверхностные свой-ства, удерживающие их от осаждения. Многие мелкие клетки не осаждаются вовсе. 

3. ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ И СЕПАРАЦИЯ

Для преодоления отмеченных ранее трудностей осаждения скорость осаждения клеток усиливают, помещая суспензию в поле центробежных сил. Центрифуги и сепараторы, которые это поле создают, часто называют осадительными.

На частицу в центробежном поле действует центробежная сила ?п:

Итак, чем больше скорость вращения центрифуги и ее радиус и

чем больше разность плотностей жидкости и частицы, тем быстрее происходит осаждение. Вязкость жидкости снижает скорость осаждения.

Разные типы центрифуг оценивают по так называемому фактору разделения ФР, показывающему, во сколько раз ускорение центробежного поля больше ускорения свободного падения

Рассмотрим теперь конструкцию наиболее распространенного  в биотехнологии тарельчатого сепаратора (рис. 13.3). 

Этот сепаратор изобрел шведский ученый Густав де Лаваль в 1896 г. Сепараторы выпускает известная в биотехнологической промышленности фирма, которая так и называется — «Альфа Ла-валь».

Сепаратор имеет полый вал, неподвижный корпус с размещенным в нем пакетом вращающихся с валом конических тарелок, находящихся одна над другой так, что образуется коническое пространство. Жидкость входит по полому валу под нижней тарелкой и доходит до внешнего цилиндрического края корпуса. Далее она движется между коническими тарелками к центробежному коллектору, из которого осуществляется выход жидкости.

В процессе этого движения частицы биомассы отбрасываются по направлению от центра вращения и сползают по коническим поверхностям тарелок к боковой стенке корпуса, создавая в ко-нечном счете возле нее слой сгущенной биомассы.

В корпусе расположены сопла, из которых под большим давлением происходит выгрузка сгущенной биомассы.

Существуют различные модификации подобных сепараторов, в том числе с ручной, а также механизированной циклической и непрерывной выгрузкой осадка.

В целом такая конструкция увеличивает время пребывания частиц в сепараторе и тем самым его производительность.

Преимущества центробежных сепараторов:

высокая производительность;

хорошая степень концентрирования (до 10—15); достигается концентрация биомассы 5—15 % по сухой массе;

возможность повышения скорости сепарирования предвари-тельной обработкой жидкости флокулянтами.

Недостатки:

сложность оборудования;

энергоемкость процесса (хотя по сравнению с выпаркой затра-ты энергии все же меньше).  I

4. ФИЛЬТРАЦИЯ

Филътрация — это задержание взвешенных частиц сетчатой (тканёвой) или пористой перегородкой. Движущей силой является раз ность давлений. вызывающая протекание жидкости (рис. 13.4).

При обычной фильтрации задерживаются частицы, величина которых больше размеров пор. Такая фильтрация называется «ситовой», и используется она при малом количестве взвешенных частиц, для осветления жидкости. Через какое-то время вся поверхность «сита» закрывается микроорганизмами, и фильтрация прекращается.