Ферментеры с комбинированным подводом энергии

Лабораторные встряхиватель, роллерные установки

Для повышения эффективности массового культивирования установки обеспечены системой, дающей возможность заменять питательную среду и удалять супернатант без остановки вращения. Для этого сосуды снабжаются специальными перфузионными пробками, в которых центральная часть вращается независимо от периферийной. В эту часть пробки вводятся трубки для смены питательной среды, удаления супернатанта и введения инокулята. В состав данной системы также входят перистальтические насосы и блок автоматики, регулирующий их работу.
Лабораторные ферментеры. Это комплексы приборов и аппаратов для массового суспензионного или глубинного культивирования клеточных и бактериальных культур. В лабораторной практике ферментеры применяются для ведения научно-исследовательских работ или отработки технологии массового культивирования (пилотные биореакторы). 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.
В лабораторной практике наиболее часто применяются ферментеры с емкостью сосудов от 1 до 20 л, для отработки технологий – от 30 до 400 л. Во всех случаях питательной средой заполняется не более 75 % объема сосуда. 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 температуры, рН, кислорода, а также система для аэрации питательной среды, производимой барботированием газов (подача газов снизу через барботер) через питательную среду 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.

Конструкционные особенности лабораторных ферментеров

Термин «ферментация», ранее обозначавший только процессы брожения, приобрел сейчас более широкое значение. Под ферментацией понимают процессы выращивания микроорганизмов для различных целей. Способы культивирования микроорганизмов отличаются большим разнообразием. Это объясняется различием свойств микроорганизмов-продуцентов, которые учитываются в первую очередь при создании технологии их выращивания.

По технологическому оформлению различают следующие микробиологические процессы:

- аэробное и анаэробное культивирование;

- поверхностное и глубинное культивирование;

Периодическое и непрерывное культивирование.

Наибольшее распространение в промышленности получил процесс глубинного культивирования аэробных микроорганизмов в жидкой питательной среде, на котором мы остановимся подробнее.

Выращивание разных аэробных микроорганизмов в глубинных условиях имеет ряд общих особенностей. Процесс культивирования протекает в сложных многофазных системах: газ → жидкость → твердое тело (клетки). В виде твердой фазы может быть и нерастворимый в воде источник углерода (например, н-парафины).

Жизнедеятельность микроорганизмов связана с выделением теплоты, в том числеи при выращивании микроорганизмов в лабораторных условиях. При использовании сосудов небольшого объема тепловой эффект процесса незаметен, выращивание микроорганизмов в аппаратах большого объема сопровождается выделением значительного количества теплоты. Поэтому в процессе культивирования необходимо в течение длительного времени поддерживать постоянную температуру во всем объеме культуральной жидкости. Конструкция ферментера должна обеспечивать оптимальные условия для роста и жизнедеятельности микроорганизмов, которые зависят от тепло - и массообмена.

Ферментеры представляют собой закрытые цилиндрические сосуды, снабженные специальными устройствами: 1) для подачи и диспергирования воздуха; 2) гомогенизации среды; 3) пеногашения; 4) нагревания и охлаждения; 5) запорной арматурой и контрольно-измерительными приборами.

Выбор конструкции ферментера диктуется как используемым видом микроорганизма-продуцента, так и конечным продуктом биосинтеза. По своему назначению ферментеры могут быть лабораторными, полупроизводственными и промышленными. Принципиально конструкции их не различаются, но в зависимости от назначения ферментеры могут иметь разную вместимость - от 0,001 м3 до нескольких сотен кубических метров. Основной материал для изготовления ферментеров - нержавеющая сталь. Лабораторные аппараты могут быть изготовлены из стекла.

Конструктивные различия ферментеров определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды. По этому принципу ферментеры можно разделить на три группы:

- ферментеры с подводом энергии к газовой фазе;

- ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе;

ферментеры с комбинированным подводом энергии.

Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. Следовательно, на работу компрессора для сжатия воздуха затрачивается энергия.

Конструктивно эти ферментеры различаются способом подачи воздуха и конструкцией аэраторов (барботеров). Независимо от типа общая площадь отверстий в барботере должна быть не менее площади поперечного сечения трубопровода, по которому подводится воздух.

Барботажные ферментаторы по конструкции довольно просты. Они представляют собой металлические емкости цилиндрической формы. На дне аппарата расположены лучевые барботеры, через которые подается сжатый воздух.

Аппарат может быть также выполнен в виде резервуара с расположенным на его днище барботером, который представляет собой воздухораспределительные коробки прямоугольного сечения с перфорированными крышками (отверстия диаметром 0,3-0,5 мм). Эффективность аэрации достигается за счет увеличения скорости газа в отверстиях крышки коробов.