биотехнология 2

1.

Биореакторы
В Ы П О Л Н И Л А : Г У СА РО ВА
Е . М .
1

2.

Содержание.
• Биореактор
• Классификация биореакторов.
• Фильтры для промышленной системы очистки и стерилизации воздуха
• Воздушные фильтры
• Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора
• Стерилизация питательных сред в биореакторе
• Методы стерилизации
03.10.2024
2

3.

Биореактор.
Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе
микробиологического синтеза.
Применяется в биотехнологической промышленности при производстве вакцин, гормонов, витаминов,
ферментов, пищевых добавок, пробиотиков, а также при биоконверсии крахмала и производстве
полисахаридов.
Основное предназначение биореакторов — это культивирование микроорганизмов, накопление биомассы и
синтез целевого продукта. Биореакторы изготавливают из высоколегированных марок стали, иногда из титана.
Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.
Промышленные биореакторы представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые —
до 10 л, многотоннажные — более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В
биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия.
03.10.2024
3

4.

Классификация биореакторов.
• В основе классификации биореакторов лежат процессы, которые в них
происходят.
• Основными типами таких реакторов являются:
• – реакторы с механическим перемешиванием;
• – реакторы с пневматическим перемешиванием;
• – газовихревые биореакторы;
• – аэрлифтные биореакторы.
03.10.2024
4

5.

• Реакторы с механическим перемешиванием представляют собой емкостные
аппараты с мешалкой, типичные для химической промышленности. Подача
кислорода в реакторы такого типа осуществляется с помощью трубок для
небольших по объему аппаратов или барботеров для оборудования среднего (до 10
м3 ) объема.
• Для насыщения культуральной жидкости кислородом используют также тонкопленочные
технологии, основанные на стекании растворов или суспензий по развитой поверхности
аппарата. В этой случае большая удельная поверхность обеспечивает интенсивный
газообмен. Однако эффективность подобных решений резко падает с увеличением объемов
оборудования свыше 10 м3 .
03.10.2024
5

6.

03.10.2024
6

7.

• Реакторы с пневматическим перемешиванием представляют собой емкостные
аппараты, в которых перемешивание осуществляется за счет подачи газа через
специальные устройства на его дне. Таким образом, в этих аппаратах массообмен и
газообмен осуществляются с помощью одного устройства — барботера. При этом
используются барботеры самых разных конструкций: циклические, лучевые,
сетчатые и т. д. Так как подача газа и перемешивание в этих аппаратах никак не
разделены, возникает проблема избыточной подачи кислорода в культуральную
жидкость, что приводит к окислению продуктов биосинтеза и подавлению
роста микроорганизмов. Для исключения этих негативных эффектов
предварительно готовят смеси газов, в которых кислород разбавлен инертным
азотом и двуокисью углерода. Концентрация кислорода в этих смесях подбирается
таким образом, чтобы обеспечить потребность микроорганизмов в дыхании.
03.10.2024
7

8.

03.10.2024
8

9.

• Газовихревые биореакторы представляют собой емкостные аппараты, в которых
массообмен в жидкой фазе происходит за счет вращения вентилятора, находящегося над
слоем культуральной жидкости. Вентилятор создает вихревое движение газа, увлекающее за
собой жидкость в биореакторе подобно урагану на море. В результате перемешивание в
культуральной жидкости осуществляется путем создания трехмерного движения —
вращающейся воронки в центре и вертикальных круговых потоков по краям реактора. Таким
образом осуществляется мягкое, но эффективное перемешивание без образования
застойных зон. В реакторах этого типа достигается высокий обмен по кислороду при низком
расходе энергии. Этот результат объясняется тем, что сопротивление воздуха при вращении
вентилятора значительно ниже, чем сопротивление воды при вращении мешалки. Отсюда
также следует вывод о возможности использования газовихревых реакторов для
перемешивания вязких культуральных жидкостей. К недостаткам реакторов этого типа можно
отнести невозможность их использования для крупномасштабных производств (с объемом
аппаратов более 10 м3 ) и большой расход воздуха.
9
03.10.2024

10.

03.10.2024
10

11.

• Аэрлифтные биореакторы являются решением проблемы обеспечения интенсивного
массообмена в аппаратах большого объема. Для биореакторов этого типа объем
практически не ограничен и может достигать нескольких тысяч кубических метров. Это
становится возможным благодаря особому конструкторскому решению, заключающемуся
в использовании аэрлифтов — длинных труб, заключенных в высокие диффузоры. Воздух
или смесь газов подается по трубе в нижнюю часть диффузора в виде маленьких
пузырьков. Эти пузырьки поднимаются внутри диффузора в верхнюю часть реактора,
увлекая за собой культуральную жидкость. Поднявшаяся по внутренней поверхности
диффузора культуральная жидкость затем опускается по его внешней стороне, создавая
циклические потоки в реакторе. Расчет аэрлифтных биоректоров аналогичен реакторам с
пневматическим перемешиванием.
03.10.2024
11

12.

03.10.2024
12

13.

Фильтры для промышленной системы очистки и
стерилизации воздуха.
• Стерилизация воздуха, используемого для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением
стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в
стерильных емкостях, является одним из важных этапов в технологической линии производства
целевого продукта. Стерильный воздух используют для аэрации процесса культивирования
биологических объектов. Отводимый из лабораторных и производственных помещений
отработанный воздух также подвергается очистке от присутствующих в нем микроорганизмов и
контролпруется на чистоту.
Основным требованием к техническим системам очистки и стерилизации воздуха является очистка
его от микрофлоры и других примесей. Кроме обеспечения этого требования рассматриваемые
системы должны обеспечивать получение воздуха с определенными термодинамическими
характеристиками.
03.10.2024
13

14.

Воздушные фильтры.
• При выращивании микроорганизмов, клеток животных и вирусов в глубинных условиях требуется подача стерильного
воздуха или других газов в биореактор на аэрацию культуральной жидкости. Подаваемый воздух в биореактор не
только снабжает растущую культуру кислородом, азотом, углекислым газом и др., но и отводит продукты метаболизма
(газообмена) микроорганизмов в процессе культивирования.
• Фильтры предварительной очистки воздуха устанавливаются на всасывающей линии перед компрессором или
трубовоздуходувкой. При инерционном способе осаждения воздух очищается от частиц размером более 5 мкм при
скорости фильтрации 1,5-3,0 м/с. Чтобы сухие частицы не выносились из фильтров, его фильтрующие слои подлежат
промасливанию. Фильтры данного класса называются масляными или висциновыми.
• Фильтры периодического действия подразделяются на кассетные регенерируемые, масляные и фильтры сухого типа.
• Фильтры непрерывного типа подразделяются на самоочищающиеся масляные и с непрерывной регенерацией в
ванне с маслом, рулонные и волокнистые.
• Фильтры тонкой очистки (головной) предназначены для улавливания основной массы загрязнений, попавших в
систему после прохождения воздуха через фильтр предварительной очистки, компрессора или турбовоздуходувки.
03.10.2024
14

15.

Стерилизация воздуха, выходящего из
биореактора.
• Выходящий из биореактора воздух имеет значительную влажность и содержит микроорганизмы, поэтому система очистки
обычно является двухступенчатой — ступень удаления влаги и ступень очистки и стерилизации. В зарубежной практике для
очистки и стерилизации воздуха, выходящего из биореактора, широко используют фильтрующие элементы из микроволокон
боросиликатного стекла, связанных эпоксирезиной. Фильтр-патрон из такого материала имеет высокую стерилизующую
способность и хорошо улавливает частицы размером более 0,6 мкм. Стерилизация таких фильтров осуществляется
текучим паром. Большое распространение получили фильтры из пористой нержавеющей стали, никеля и бронзы.
Глубинное культивирование микроорганизмов проходит в биореакторах при давлении 0,02-0,06 МПа. Пористые материалы,
как правило, имеют большое сопротивление, что иногда затрудняет их использование. Следует избегать конденсации влаги
на фильтре, в результате чего его сопротивление потоку воздуха может возрасти, а производительность снизиться. Особое
внимание следует уделить герметизации мест установки фильтров на воздуховодах. Использование очищенного пара для
стерилизации фильтров и сокращение времени стерилизации позволили значительно увеличить срок службы
отечественных и зарубежных воздушных фильтров на основе новых фильтрующих материалов.
03.10.2024
15

16.

Стерилизация питательных сред в биореакторе.
• Стерилизация питательной среды для периодического процесса главной ферментации решается поразному. Непрерывная стерилизация вне аппарата обеспечивает экономию тепла и минимум
термической экспозиции питательных компонентов, хотя технически сложно осуществима и связана с
повышенной вероятностью нестерильных операций, особенно на средах с нерастворимыми
компонентами.
• Второй вариант — подача среды, нагретой до температуры стерилизации, в рабочие ферментаторы с
последующей ее выдержкой и охлаждением в аппарате — более простой и надежный в отношении
гарантий стерильности. Расход тепловой энергии и вероятность ухудшения свойств среды в результате
длительного термического воздействия в этом случае возрастают.
03.10.2024
16

17.

Методы стерилизации.
• Самым распространенным в мире способом стерилизации является паровая стерилизация. Данный метод
высокоэффективен, экономичен и приемлем для большинства биологических изделий. По данным статистики, 75°о
общего объема стерилизации в мире приходится на паровой метод.
• Паровой метод стерилизации питательных сред в промышленном производстве осуществляется периодическим и
непрерывным методами.
Периодический метод стерилизации проводится в маленьких объемах непосредственно в биореакторе при температуре
120°С в течение 30—60 мин (в зависимости от объема среды и ее состава), после чего охлаждается до 27-30°С.
Использование маленьких объемов питательной среди позволяет значительно разрушить число микроорганизмов. Как
известно, большие объемы требуют большего времени для нагревания, а также и для охлаждения. Таким образом,
эффект стерилизации и сохранения термолабильных веществ питательной среды получается в том случае, если
стерилизация проводится при более высокой температуре и за более короткое время.
03.10.2024
17

18.

• Непрерывный метод стерилизации применяют при использовании больших объемов питательной среды. Для этого
отдельно готовят питательную среду в специальном сосуде, затем с помощью насоса подают в стерилизационную
колонку, через которую пропускается горячий пар. Пар подается сверху по внутренней трубе, имеющей щелевидные
прорези, благодаря чему пар поступает в среду и происходит быстрый ее нагрев. Среда в колонке движется по
спирали вокруг внутренней трубы.
Среда, нагретая в колонке до температуры 120-—130°С, поступает в специальную емкость, где она выдерживается
5—10 мин при той же температуре. Затем поступает в змеевиковый холодильник, охлаждается до 30-35°С и
поступает в биореактор. |
Непрерывный метод стерилизации имеет ряд преимуществ по сравнению с периодическим.
1) при непрерывном методе стерилизации каждый элементарный объем среды находится при высокой температуре
короткое время;
2) благодаря более высоким температурам стерилизации и короткой экспозиции деструкция компонентов
питательной среды минимальная;
3) процесс стерилизации всего объема питательной среды растянут во времени, этим обеспечивается более
равномерная разгрузка котельной;
4) процесс легко контролируется и управляется.
03.10.2024
18