Курс лекций для студентов специальности -48 02 01 «Биотехнология» Минск 2014 034)
жүктеу/скачать 1,87 Mb. Pdf көрінісі
|
| а – аэрация с эжекцией воздуха: 1 – эжектор; 2 – диффузор; б – водоструйный аэратор: 1 – сливная камера; 2 – конус;
в – барботажная колонна: 1 – барботер; 2 – циркуляционный контур; 3 – теплообменник кожухотрубчатый; г – эрлифтный аппарат: 1 – циркуляционная труба; 2 – отбойник; д – пленочный биореактор; е – дисковый биореактор; ж – биореактор с барботажем воздуха и механическим перемешиванием: 1 – барботер; 2 – трехъярусная турбинная мешалка; з – биореактор с мешалкой и засасывающей воздушной трубой: 1 – мешалка; 2 – воздушная труба 41 В связи с необходимостью строгого соблюдения требований асеп- тики ферментацию осуществляют в периодическом режиме со стерили- зацией ферментатора и коммуникаций после каждой операции по выра- щиванию микроорганизмов. Выбор объема аппарата определяется не только мощностью производства по целевому метаболиту, но и достиг- нутым уровнем асептики производства. Нестерильная операция в фер- ментаторе большой емкости приводит к потере значительного количе- ства питательной среды, часто содержащей дорогостоящие компоненты. Ферментатор представляет собой герметичную цилиндрическую емкость из нержавеющей стали со сферическими крышкой и днищем (рис. 5.3). Рис. 5.3. Ферментатор емкостью 100 м 3 : 1 – кольцевой барботер; 2 – змеевиковый теплообменник; 3 – секции водяной рубашки; 4 – лестница; 5 – люк; 6 – электропривод; 7 – отбойник; 8 – турбинная мешалка; 9 – соединительная муфта; 10 – крепление вала; 11 – пережимная труба 42 Аппарат оборудован перемешивающим устройством в виде од- но-, двух- или трехъярусной мешалки (чаще турбинного типа), бар- ботером для подачи воздуха и коммуникациями для ввода питатель- ной среды, посевного материала, пеногасителя, нейтрализующего агента и вывода отработанного воздуха. В процессе ферментации выделяется большое количество тепла в результате жизнедеятельно- сти микроорганизмов (биологическое тепло) и за счет работы ме- шалки. Охлаждение среды до оптимальной температуры произво- дится с помощью наружной секционированной водяной рубашки ферментатора и внутренних змеевиковых теплообменников. При необходимости охлаждающие устройства используются в качестве греющих при стерилизации ферментатора и питательной среды. Со- временные ферментаторы укомплектованы регулирующими устрой- ствами и контрольно-измерительными приборами (автоматическое регулирование температуры, рН ферментационной среды, расхода воздуха, уровня пены, а также контроль давления, уровня жидкости, температуры и рН среды). Перед каждой загрузкой ферментатора питательной средой про- изводят его подготовку к работе, которая включает ряд последова- тельных операций. После слива культуральной жидкости ферментатор промывают водой с помощью специальной моечной машинки, прогревают острым паром до температуры 100 С и охлаждают до 30–40С. Используя люк-лаз, производят внутренний технический осмотр аппарата: про- веряют состояние соединительных муфт вала, мешалок, барботера, датчиков КИП и устраняют обнаруженные дефекты. Затем фермента- тор герметизируют и создают воздушное давление в аппарате 0,15– 0,20 МПа. Аппарат считают герметичным, если в течение 45–60 мин давление падает не более чем на 0,005 МПа. При наличии утечки с помощью мыльного раствора проверяют на герметичность все фланцевые соединения, сварные швы и сальниковые уплотнения за- порной арматуры. Если аппарат и прилегающие коммуникации герме- тичны, производят их стерилизацию. Ферментатор нагревают путем подачи острого пара через все входные и выходные коммуникации до 100–104 С при открытом выходе на линии отработанного воздуха, за- тем закрывают вентиль на выходе воздуха и продолжают нагрев до температуры 130–135 С, при которой выдерживают в течение 1–2 ч. Одновременно с ферментатором стерилизуют фильтр тонкой очистки воздуха и пеногаситель в бачке. 43 По окончании стерилизации в ферментатор подают стерильный воздух, а в охлаждающие системы – холодную воду. Через УНС в ферментатор загружают стерильную питательную среду. В аппарате постоянно поддерживают давление воздуха 20–30 кПа, чтобы исклю- чить проникновение инфекции в ферментатор с наружным воздухом. С этой же целью все незадействованные в процессе ферментации коммуникации защищают паровыми затворами. Коэффициент заполнения питательной средой геометрического объема ферментатора составляет 0,6–0,7. Свободное пространство ис- пользуется для компенсации повышения уровня среды за счет увели- чения газосодержания при аэрации и для регулирования уровня пены. Высокая пенообразующая способность питательных сред обусловли- вается наличием растворенных белков, пектиновых веществ, колло- идно-растворенных соединений. В процессах ферментации наличие пены, с одной стороны, способствует интенсификации массообмена и увеличивает концентрацию кислорода в среде. С другой стороны, интенсивное пенообразование уменьшает полезный объем фермента- тора. На практике уровень пены в аппарате постепенно возрастает от 0 до максимально допустимой величины, при достижении которой ав- томатически включается система пеногашения. Наибольшее распро- странение получили химические и механические способы пеногаше- ния. Механические методы основаны на ударном воздействии на пену твердой поверхности (вращающийся гладкий диск, «беличье» колесо, пакет конических тарелок). Механизм действия химического пеногасителя заключается в том, что он вытесняет менее активный пенообразователь из поверхностно- го слоя пузырьков пены. Стенки пузырьков под действием молекул химического пеногасителя истончаются и легко разрушаются. При добавлении большого количества ПАВ пеногасящий эффект теряется и пенообразование, наоборот, усиливается. Уровень пены в аппарате можно стабилизировать также времен- ным уменьшением подачи воздуха или временным прекращением ме- ханического перемешивания ферментационной среды. В качестве химических пеногасителей применяют растительные масла (соевое, подсолнечное), жиры животного происхождения (ры- бий и свиной), синтетические поверхностно-активные вещества, например, органический полиэфир – пропинол Б-400. Для гашения пены в ферментаторах чаще всего используют предварительно про- стерилизованные химические пеногасители (пропинол Б-400), кото- рые автоматически дозируются в ферментационную среду в виде вод- 44 ной эмульсии (соотношение пеногаситель: вода = 1 : 5–1 : 8) по сигна- лу датчика уровня пены в аппарате. Эффективен комбинированный метод гашения пены, например, подачей химического пеногасителя на поверхность вращающегося гладкого диска. Несмотря на непрерывное совершенствование конструкции, со- временные биореакторы обладают такими несовершенствами, как не- достаточно высокая скорость растворения кислорода в ферментаци- онной среде, ограниченные возможности по отводу биологического тепла, ингибирование культуры продуктами метаболизма. К биореакторам нового поколения относят мембранные биореак- торы, оснащенные погружным (расположенным внутри аппарата) или вынесенным в циркуляционный контур мембранным модулем, обеспечивающим отделение и возврат в биореактор микробных кле- ток с одновременным отбором раствора целевого метаболита (рис. 5.4). Рис. 5.4. Схема мембранного рециркулирующего биореактора: 1 – биореактор; 2 – мембранный модуль В мембранных биореакторах используются полупроницаемые жүктеу/скачать 1,87 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|