Ферментация

Биореакторы для глубинного культивирования микроорганизмов отличаются большим разнообразием конструкций. В общем случае конструкция биореактора должна обеспечить выполнение следующих функций и требований:

– исключить проникновение посторонних микроорганизмов в аппарат;

– обеспечить возможность введения субстрата и воздуха, а также выведения газообразных продуктов метаболизма с отработанным воздухом;

– осуществить интенсивное диспергирование газовой фазы в жидкой;

– обеспечить удаление выделяющегося в процессе ферментации тепла.

Промышленные биореакторы можно разделить на три группы:

– неаэрируемые (метантенки, бродильные аппараты);

– аэрируемые без механического перемешивания;

– с механическим перемешиванием и аэрацией.

Биореакторы первой группы используются в анаэробных процессах. Вторая группа аппаратов включает биореакторы, в которых распределение воздуха в жидкой среде производится с помощью насосов (рис. 5.2, а, б) или за счет избыточного давления воздуха (рис. 5.2, в, г), а также аппараты с непрерывной газовой фазой (рис. 5.2, д, е).

Биореакторы последнего типа применяют преимущественно в процессах очистки сточных вод. В этих аппаратах микроорганизмы закрепляются на поверхности насадки или вращающихся дисков в виде биопленки.

Третья группа объединяет биореакторы, в которых распределение воздуха в жидкой фазе осуществляется за счет механического перемешивания (рис. 5.2, ж, з).

Несмотря на разнообразие конструкций, существуют типы ферментаторов, которые занимают доминирующее положение в отрасли. В частности, в промышленном производстве кормовой биомассы микроорганизмов на средах с растворенным субстратом широко применяются малоэнергоемкие ферментаторы эрлифтного типа, в которых перемешивание среды (диспергирование газовой и жидкой фаз) осуществляется только за счет энергии вводимого воздуха с использованием принципа эрлифта, обеспечивающего циркуляцию жидкости вокруг направляющего диффузора (или циркуляционной трубы) за счет разности плотностей между увлекаемой (насыщенной) воздухом жидкостью внутри диффузора и дегазированной жидкостью (вне диффузора).

Рис. 5.2. Принципиальные схемы биореакторов различных типов:

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)

В асептических производствах наибольшее распространение получили ферментаторы барботажного типа с механическим перемешиванием ферментационной среды. На отечественных предприятиях используют ферментаторы объемом до 100 м³ (15, 50, 63, 100 м³), за рубежом – до 300 м³. В связи с необходимостью строгого соблюдения требований асептики ферментацию осуществляют в периодическом режиме со стерилизацией ферментатора и коммуникаций после каждой операции по выращиванию микроорганизмов. Выбор объема аппарата определяется не только мощностью производства по целевому метаболиту, но и достигнутым уровнем асептики производства. Нестерильная операция в ферментаторе большой емкости приводит к потере значительного количества питательной среды, часто содержащей дорогостоящие компоненты.

Ферментатор представляет собой герметичную цилиндрическую емкость из нержавеющей стали со сферическими крышкой и днищем (рис. 5.3). Аппарат оборудован перемешивающим устройством в виде 1–3-х ярусной мешалки (чаще турбинного типа), барботером для подачи воздуха и коммуникациями для ввода питательной среды, посевного материала, пеногасителя, нейтрализующего агента и вывода отработанного воздуха.

В процессе ферментации выделяется большое количество тепла в результате жизнедеятельности микроорганизмов (биологическое тепло) и за счет работы мешалки. Охлаждение среды до оптимальной температуры производится с помощью наружной секционированой водяной рубашки ферментатора и внутренних змеевиковых теплообменников. При необходимости охлаждающие устройства используются в качестве греющих при стерилизации ферментатора и питательной среды. Современные ферментаторы укомплектованы регулирующими устройствами 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 производят подготовку его к работе, которая включает ряд последовательных операций.

Рис. 5.3. Ферментатор емкостью 100 м³:

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

После слива культуральной жидкости ферментатор промывают водой с помощью специальной моечной машинки, прогревают острым паром до температуры 100°С и охлаждают до 30–40°С. Используя люк-лаз, производят внутренний технический осмотр аппарата: проверяют состояние соединительных муфт вала, мешалок, барботера, датчиков КИП и устраняют обнаруженные дефекты. Затем ферментатор герметизируют и создают воздушное давление в аппарате 0,15–0,20 МПа. Аппарат считают герметичным, если в течение 45–60 минут 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 запорной арматуры. Если аппарат и прилегающие коммуникации герметичны, 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, затем закрывают вентиль на выходе воздуха и продолжают нагрев до температуры 130–135°С, при которой производят выдержку в течение 1–2 ч. Одновременно с ферментатором стерилизуют фильтр тонкой очистки воздуха и пеногаситель в бачке.

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 исключить проникновение инфекции в ферментатор с наружным воздухом. С этой же целью все незадействованные в процессе ферментации коммуникации защищаются паровыми затворами.

Коэффициент заполнения питательной средой геометрического объема ферментатора составляет 0,6–0,7. Свободное пространство используется для компенсации повышения уровня среды за счет увеличения газосодержания при аэрации и для регулирования уровня пены. Высокая пенообразующая способность питательных сред обусловливается наличием растворенных белков, пектиновых веществ, коллоидно-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 ферментатора. На практике уровень пены в аппарате постепенно возрастает от 0 до максимально допустимой величины, при достижении которой автоматически включается система пеногашения. Наибольшее распространение получили химические и механические способы пеногашения. 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 поверхностного 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 временным уменьшением подачи воздуха или временным прекращением механического перемешивания ферментационной среды.

В качестве химических пеногасителей применяют растительные масла (соевое, подсолнечное), жиры животного происхождения (рыбий и свиной жир), синтетические поверхностно-активные вещества, например, органический полиэфир – пропинол Б-400. Для гашения пены в ферментаторах чаще всего используют предварительно простерилизованные химические пеногасители (пропинол Б-400), которые автоматически дозируются в ферментационную среду в виде водной эмульсии (соотношение пеногаситель: вода = 1: 5–1: 8) по сигналу датчика уровня пены в аппарате.

Эффективен комбинированный метод гашения пены, например, подачей химического пеногасителя на поверхность вращающегося гладкого диска.

Несмотря на непрерывное совершенствование конструкции, современные биореакторы обладают такими недостатками, как недостаточно высокая скорость растворения кислорода в ферментационной среде, ограниченные возможности по отводу биологического тепла, ингибирование культуры продуктами метаболизма.

К биореакторам нового поколения относят мембранные биореакторы, оснащенные погружным (расположенным внутри аппарата) или вынесенным в циркуляционный контур мембранным модулем, обеспечивающим отделение и возврат в биореактор микробных клеток 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 разделяющие элементы различных типов и конфигураций: трубчатые, плоскорамные, половолоконные мембранные элементы, органические (полиамид, фторопласт и др.), металлические (прессованный порошок металлов) и неорганические (керамические) микрофильтрационные и ультрафильтрационные мембраны.

Биореакторы мембранного типа применяют при очистке сточных вод, перспективно использование их в микробиологическом производстве органических растворителей.