Биореактор, ферментер – аппарат, предназначенный для культивирования микроорганизмов в целях получения биомассы либо продуктов микробиологического синтеза.
Наиболее универсальна и чаще всего применяется на практике классификация на основе способа ввода энергии в аппарат : с газовой фазой; с жидкой фазой; с газовой и жидкой фазами (комбинированный).
К ним относятся ферментеры: барботажные ; эрлифтные ; барботажно-эрлифтные ; колонные, секционированные по высоте тарельчатыми устройствами.
а – ферментер барботажный, H/D < 2; б - ферментер барботажный колонный, H/D > 2; 1 – корпус; 2 – воздухораспределитель; 5 – теплообменник.
1 – корпус; 2 – воздухораспределитель; 3 - диффузор.
г – ферментер газлифтный колонный, H/D > 2; д - ферментер газлифтный петлевой колонный, H/D < 2; 1 – корпус; 2 – воздухораспределитель; 3 – диффузор; 4 – диспергатор ; 5 – теплообменник.
е – ферментер газлифтный рециркуляционный колонный; ж - ферментер тарельчатый колонный; з - ферментер с плавающей насадкой колонный; 1 – корпус; 4 – диспергатор ; 5 – теплообменник; 6 – циркуляционная колонна; 7 – тарелка; 8 – пеногаситель ; 9 – переливная труба; 10 – насадка.
Обычно энергия передается жидкой фазе самовсасывающей мешалкой или насосом. В последнем случае жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор и. т.п.)
Поступление воздуха осуществляется за счет разрежения, возникающего в воздушной камере мешалки, которая одной стороной соединяется воздуходувом с атмосферой, а другой – с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки.
а – ферментер с одной самовсасывающей мешалкой; б – ферментер с несколькими самовсасывающими мешалками; в – ферментер с несколькими самовсасывающими мешалками и внешним циркуляционным контуром; 1 – корпус; 2 – самовсасывающая мешалка; 3 – циркуляционный контур; 4 – насос; 5 – диффузор; 6 – теплообменник.
1 – корпус; 4 – насос; 5 – диффузор; 7 –эжектор; 8 - воздухозаборник. Ферментеры эжекционные
Имеют внешний циркуляционный контур, включающий насос, эжекционное устройство (одно или батарею), систему циркуляционных трубопроводов. Известны два типа – с «затопленной» и с падающей струей.
д – ферментер струйный с затопленной струей; е – ферментер струйный с падающей струей; 1 – корпус; 4 – насос; 6 – теплообменник; 7 – эжектор; 9 – рассекатель; 10 – труба с насадкой.
Основной конструктивный элемент – перемешивающее устройство. Энергия с газовой фазой вводится обычным способом.
Перемешивающее устройство выполняют в виде вала с установленными на нем одной или несколькими мешалками. Под нижней мешалкой у днища обычно расположен газораспределитель, который может быть как вращающимся, так и неподвижным. Внутри аппарата размещают циркуляционные стаканы и теплообменники.
а – ферментер с мешалками одновальными; б – ферментер с мешалками многовальными ; в – ферментер с мешалкой колонный; г – ферментер с вибромешалкой ; 1 – корпус; 2 – вал; 3 – мешалка; 4 – воздухораспределитель; 5 – теплообменник; 6 – диффузор; 9 – тарелка.
Характерен подвод энергии к жидкой фазе осевой мешалкой или насосом. Воздух в аппарат подается газодувками.
д – ферментер с комбинированным вводом энергии колонный; е – ферментер с комбинированным вводом энергии; ж – ферментер с циркуляционным контуром; 1 – корпус; 2 – вал; 3 – мешалка; 4 – воздухораспределитель; 5 – теплообменник; 6 – диффузор; 7 – насос; 8 – переливные устройства; 9 – тарелка.
Промышленные ферментационные установки
Биореактор фирмы New Brunswick Scientific
Аэрирование необходимо для насыщения ферментационной среды кислородом, а также для десорбции газообразных продуктов метаболизма (прежде всего углекислого газа ).
Функции аэрирования и перемешивания в ферментере объединены в одном устройстве.
Как правило, в результате перемешивания при культивировании создается турбулентный режим движения жидкости. Но создать высокую турбулентность по всему объему аппарата обычно не удается. Поэтому стремятся к тому, чтобы вся жидкость прошла через зоны, где турбулентность наиболее интенсивна.
Эффективность перемешивания зависит от интенсивности циркуляции, которая определяется временем, необходимым для того, чтобы вся жидкость прошла через определенное сечение.
Интенсивной турбулизации и циркуляции достигают тремя способами: барботированием газа, применением механических мешалок, использованием циркуляционных насосов.
Является малоинтенсивным процессом. Используют газораспределительные устройства – барботеры, которые устанавливают в нижней части аппаратов. Всплывающие пузыри заставляют жидкость перемещаться, тем самым перемешивая ее.
а – прямоугольный; б – кольцевой; в – лучевой.
Для интенсификации тепло- и массообмена барботажные аппараты снабжаются диффузорами и различными контактными элементами. Диффузоры обеспечивают возможность циркуляции жидкости в аппарате.
1 – корпус, 2 – диффузор, 3- воздухоподводящие трубы, 4 – направляющий зонт, 5 воздухораспределитель. Данный ферментер широко используется в производстве кормовых дрожжей из гидролизатов древесины.
Увеличение поверхности контакта между фазами осуществляется за счет: дополнительного диспергирования газа; р азделения жидкой фазы на слои (секционирование); увеличения времени пребывания пузырьков газа в жидкости; создания локальных зон с повышенным давлением. Колонные аппараты с контактными устройствами
Типы тарелок: с организованным переливом ( колпачковые, клапанные, ситчатые ); провального типа (дырчатые, решетчатые, щелевые).
Газ в каждой секции барботирует через небольшой слой жидкости, при этом поверхность контакта фаз обновляется на каждой тарелке, что увеличивает скорость растворения кислорода.
Перемешивание осуществляют мешалками.
При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки.
При высоких скоростях образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды.
Для предотвращения этого в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того, способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы.
Чаще применяются турбинные и лопастные дисковые мешалки. Они имеют меньший проскок воздуха вдоль вала и обеспечивают лучшее диспергирование воздуха.
Механические мешалки
Суть метода: С помощью циркуляционного насоса жидкость закачивается из нижней части корпуса и по напорному трубопроводу подводится к эжектору (струйному элементу). За счет разрежения в жидкость засасывается воздух.
Аэрационные устройства могут быть: напорного типа – эжекционный эффект создается напором насоса; безнапорного типа – свободно падающей струей.
Основным узлом является центробежный насос специальной конструкции. Его особенность – перед попаданием на рабочее колесо, насыщенная газом жидкость происходит камеру дегазации, выводимый из насоса газ подводится либо к трубопроводу отводящих газов, либо возвращается в ферментер выше уровня жидкости в нем.
Для более полного использования потенциальной энергии поднятой жидкости ферментер секционируют по высоте камеры.
Стерилизация водяным паром (глухим или острым при различном давлении); Стерилизация электронагревом среды; Стерилизация инфракрасными лучами; Стерилизация высокочастотным и СВЧ нагревом.
Ионизирующее излучение; Ультразвуковое воздействие; Воздействие химическими реагентами; Ультрафиолетовое облучение.
В промышленности наиболее широкое применение нашел метод стерилизации водяным паром, который обладает следующими преимуществами: Легко транспортируется; Хорошо проникает в труднодоступные места; Обладает большой теплоотдачей при конденсации; Не токсичен для персонала и микроорганизмов; Относительно дешев; Не изменяет состав питательной среды.
При стерилизации важнейшим условием ее эффективности является возможность создания во всех точках внутренних полостей необходимой температуры и поддержания ее в течение заданного времени.
Однако в процессе тепловой обработки происходит конденсация пара у стенки с образованием пленки, под которой образуется слой воздуха – «воздушный барьер», резко снижающий коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. В особо неблагоприятных условиях находятся такие элементы обвязки ферментера как кольцевые зазоры в местах ввода датчиков КИП, тупиковые штуцера, торцевые уплотнения и т.п.
Для предотвращения проникновения посторонней микрофлоры все материальные линии аппаратов должны быть оснащены термическими затворами, через которые постоянно подается пар и удаляется в канализацию образующаяся пароконденсатная смесь. Термические затворы – энергосберегающие устройства на трубопроводах, препятствующие конвективному переносу.
В производственной практике оптимальную температуру выращивания поддерживают с точностью ±1 °С.
Поддержание температуры может идти в двух направлениях: Подведение дополнительного тепла. Отведение излишков тепла.
п оверхность корпуса аппарата (типовые рубашки); внутренние функциональные конструкции (змеевики, стенки диффузора, отражающие перегородки, тарелки, вал и лопасти мешалки); в ыносные теплообменники.
Пенообразование связано с наличием в жидкой фазе ПАВ. Культуральные жидкости обычно содержат значительное количество белковых веществ, обладающих свойствами ПАВ.
физические; физико-химические; технологические; комбинированные.
Основан на действии звуковых или ультразвуковых колебаний с частотой 10-100 кГц. Звуковые колебания передаются ячейкам пены и постепенно разрушают ее пузырьки слой за слоем. Метод применим для гашения малых количеств пены.
Действие достигается с помощью струи острого пара или нагретой поверхности. При соприкосновении с ними (или вблизи них) происходит испарение жидкости, что приводит к разрушению пузырьков и прекращению пенообразования.
Электрическое поле может разрушить или ослабить пену в электропроводящих жидкостях. Метод экономичен и позволяет автоматизировать процесс пеногашения.
Предполагает использование разнообразных сложных энергоёмких струйных пеногасящих устройств. Разрушение пены происходит под действием ударной силы струи жидкости, разбрасываемой на зеркало жидкости, или в результате завихрения пенных слоев потоком воздуха при изменении его скорости и направления.
Метод наиболее широко распространен. Основан на механическом ударном воздействии на пену. В пеногасителях роторного типа используют механические вращающиеся устройства: ротор, турбину, крыльчатку, пакет тарелок и т.д., которые устанавливают на одном валу с мешалкой или отдельно.
Циклонные пеногасители. В них используется центробежное поле и лабиринты различного типа. Однако действия циклонных пеногасителей недостаточно в большинстве случаев, особенно при интенсивном ведении биохимического процесса.
Основаны на использовании природных и синтетических веществ. Будучи более поверхностно активным веществом, чем вещества-пенообразователи, пеногаситель вытесняет их из поверхностного слоя пены. При этом толщина стенок пузырьков уменьшается и они разрушаются (лопаются).
Снижение интенсивности аэрации; Снижение интенсивности перемешивания; Вывод пены из реакционного объема аппарата с помощью флотатора; Конструктивные решения для ферментеров (увеличение отношения диаметра аппарата к его высоте, подбор конструкции мешалки или барботера и т.д.)
Его основой является наличие механического пеногасителя, а химический пеногаситель используется только в критических случаях.
