 |
Лабораторные встряхиватели
|
|
|
|
Большое значение в оснащении культуральной лаборатории имеют приборы, обеспечивающие принудительное перемешивание питательных сред с помещенными в них микробными клетками, обеспечивая лучший газообмен, и, тем самым, повышая эффективность культивирования.
Большинство моделей встряхивателей позволяет перемешивание в одном режиме – вращательном или возвратно-поступательном. Хотя наиболее современные модели (фирма «Infors») являются универсальными, т. е. работают в разных режимах перемешивания.
Лабораторные ферментеры
Это комплексы приборов и аппаратов для массового суспензионного или глубинного культивирования микробных культур.
В общем случае ферментер состоит из культивационного сосуда, насосов и соединительных трубопроводов (для подачи питательной среды, газов, инокулята и отбора продукта), измерительных приборов и регуляторов, управляющих температурой среды в сосуде, ее рН, окислительно-восстановительным потенциалом и другими параметрами.
Биореакторы должны удовлетворять следующим требованиям: полная герметизация, исключающая попадания посторонней микрофлоры; сохранение постоянного объема культуральной жидкости, удобство при чистке всех частей аппарата и внутренней поверхности, а также удобство стерилизации.
Части ферментеров, контактирующие с питательной средой (сосуды, соединительные трубопроводы, насосы и др.), изготавливаются из биологически пассивных, химически стойких материалов, позволяющих производить стерилизацию насыщенным водяным паром (качественная нержавеющая сталь, фторопласт, боросиликатное стекло, силиконовая резина).
Сосуды ферментеров имеют цилиндрическую (реже коническую) форму. В них размещены датчики, а также система для аэрации питательной среды, производимой барботированием газов (подача газов снизу через барботер) или сочетанием продувки газов с механическим перемешиванием среды. При использовании механических мешалок их соединение с приводным двигателем производится при помощи магнитных муфт, что снижает риск загрязнения питательной среды. Помимо механического и пневматического перемешивания используются также системы циркуляционного (гидродинамического) перемешивания направленным током жидкости по замкнутому контуру при помощи насосов.
|
|
|
К важнейшим факторам, определяющим устройство реактора, относятся: агрегатное состояние исходных веществ и целевых продуктов, а так же их биохимические и микробиологические свойства; температура и давление, при которых протекает процесс; тепловой эффект процесса и скорость теплообмена; интенсивность массообмена, перемешивания реагентов; непрерывность или периодичность процесса; удобство монтажа и ремонта аппаратуры, простота его изготовления; доступность конструкционного материала и т.д.
В зависимости от конструктивных решений, объемов и других характеристик биореакторы делят на группы.
На основе рабочего объема биореакторы делятся на лабораторные (их емкость 0,5-100 л), пилотные (100 л -10 м3) и промышленные (10-100 м3). Во всех случаях питательной средой заполняется не более 75 % объема сосуда.
Все биореакторы могут быть разделены по используемому принципу культивирования на закрытые и открытые. В закрытых биореакторах осуществляют периодическое культивирование, иногда его называют накопительным культивированием.
По способу подачи воздуха в биореактор их можно разделить на 2 типа:
без подводки стерильного воздуха (в таких биореакторах культивируют анаэробные микроорганизмы);
с подводкой стерильного воздуха (их используют для культивирования аэробов). Аэрация жидкости в биореакторах может обеспечиваться механическими мешалками или потоком воздуха.
|
|
|
Ферментеры можно подразделить в зависимости от системы перемешивания на три основные группы: аппараты с механическим,
Барботажным,
эрлифтным перемешиванием.
Биореакторы с механическим перемешиванием характеризуются тем, что воздух подают под давлением через распределитель, представляющий собой кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счет механического перемешивания, обеспечивается их равномерное распределение внутри аппарата. Для этой же цели используются мешалки, которые, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору. Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа ее оборотов и физико-химических свойств используемой среды. При интенсивном перемешивании часто случается вспенивание, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа не превышает 55 %.
Биореакторы с барботажной системой воздухораспределения характеризуются тем, что перемешивание в них осуществляется восходящими потоками воздуха, который подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора через барботеры, представляющие собой воздушные трубы с отверстиями диаметром 0,1-0,2 мм. Подача воздуха под сильным давлением приводит к сильному пенообразованию, поэтому рабочий объем биореакторов такого типа также не превышает 55 %.
Биореакторы с эрлифтной системой воздухораспределения характеризуются тем, что воздух подают через центральную трубу, которая обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости, либо за счет внешней системы циркуляции, которая осуществляется также с помощью труб, установленных снаружи аппарата.
По конструкции биореакторы классифицируются следующим образом:
реакторы емкостного типа;
реакторы типа колонны;
реакторы трубчатого типа;
реакторы пленочного типа;
реакторы мембранного типа;
реакторы с псевдоожиженным слоем.
Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем компонентов.
Классификация ферментеров по способу подвода энергии:
Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики. Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.
|
|
|
К таким аппаратам относятся, например, барботажные и эрлифтные ферментеры.
Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее высокие по сравнению с группой ферментеров ФГ значения коэффициента массопередачи кислорода.
В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделит на типы:
ферментеры с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных аппаратов, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки;
в эжекционных ферментерах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды.
Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок;
струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата. Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата, интенсивно перемешивая жидкость. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый контур циркуляции.
|
|
|
Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.
Третья группа аппаратов – с подводом энергии газовой и жидкой фазами (группа ФЖГ). Основными их конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, обеспечивающие высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств.
Это могут быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости, высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом и другие сочетания перемешивающих и аэрирующих устройств. Коэффициент массопереноса кислорода в таких ферментерах может в принципе иметь любые из известных значения.
|
|
|
