Ферментация

   В линиях стерильных сред и других компонентов (а также для обвязки ферментаторов) в последних проектах применяется  только сильфонная стальная нержавеющая  арматура. В настоящее время стерильные сыпучие питательные среды реально  используются при производстве ферментов поверхностным методом. Эти технологии и аппаратура в достаточной степени описаны [30], поэтому на них подробнее останавливаться не будем.

   ДОЗИРОВАНИЕ ЖИДКИХ СТЕРИЛЬНЫХ

   ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД

   И ДРУГИХ ЖИДКИХ КОМПОНЕНТОВ:

   ПЕНОГАСИТЕЛИ, КОРРЕКТИРУЮЩИЕ

   рН  РАСТВОРЫ, ПОДПИТКА

   Дозирование технологических потоков жидких сред в биотехнологии можно было бы осуществлять техническими средствами, аналогичными применяемым в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Так эти операции выполняются при реализации нестерильных процессов (производство кормовых дрожжей, этилового спирта и т. д.). Однако особенность многих биотехнологий заключается в необходимости реализации процесса в асептических условиях, т. е. в дозировании стерильных, в большинстве случаев корродирующих, жидкостей.

   Дозирование стерильных корродирующих жидкостей  для периодических, отъемно-доливных и непрерывных способов культивирования реализуется при помощи индивидуальных групповых мерников, из которых соответствующий компонент вручную или автоматически подается в ферментатор согласно временному графику или величине соответствующего параметра процесса. Индивидуальные мерники моются и стерилизуются одновременно с ферментатором, для которого они предусмотрены. По мере развития техники ферментации дозирование жидкостей через мерники и емкости должно быть заменено использованием специальных дозирующих насосов или передавливанием с расходомерами на транспортной линии.

   В практике биотехнологии вопрос техники  дозирования целесообразно рассмотреть в комплексе со способами дозирования. Несколько примеров к сказанному.

   Если  ферментатор снабжен системой индикации уровня и состояния пены, то момент и доза подачи химического пеногасителя определяются этой системой, а в линии подачи от мерника (работает под избыточным давлением) до ферментатора собственно дозатор не нужен, достаточно иметь пневматическую или электромагнитную управляемую   (с учетом    инерции системы) запорную арматуру. При этом важен способ непосредственного ввода пеногасителя в аппарат (форсунка, механическое распыление и т. д.), а также общая схема пеногашения (химико-механическое, пневматическое, химическое).

   Аналогично  можно обойтись без дозаторов (расходомеров) при регулировании рН.

   Несколько сложнее состояние вопроса при  реализации стерильных непрерывных методов ферментации (хемостат, турбидостат и т. д.). В принципе возможно согласовать производительность линии непрерывной стерилизации с нужной скоростью протока в хемостате. Однако такие линии с трудом поддаются регулировке по производительности, поскольку приходится менять соотношение: время выдержки — температура стерилизации. Поэтому обеспечение даже наиболее простого режима — хемостата без промежуточной емкости (мерника) проблематична, и практически эти емкости применяются. Кроме того, следует отметить, что промышленный опыт технической реализации таких процессов весьма скуден. Так, например, в практике авторов настоящей работы производство лизина непрерывным методом — это единственный процесс, где реально необходим хемостат в промышленных экспериментах.

   Рассмотрение  проблемы дозирования стерильных жидкостей  целесообразно начать с лабораторных и пилотных масштабов. Практически  все такие исследовательские  установки, в том числе ФУ-8 и ФУ-30, комплектуются шланговыми насосами, которые при наличии гибких трубопроводов нужного качества и точного управления скорости вращения вала насоса обеспечивают нужные параметры дозирования и срок службы. Принцип работы таких насосов известен: периодическое пережимание шланга клавишным механизмом или скатывание специальных роликов по окружности петли шланга. Эти насосы допускают наличие суспензий в обрабатываемых потоках. Иностранные фирмы также выпускают шланговые насосы отдельно от ферментационных установок. В качестве примера можно упомянуть систему «Мастерфлекс» (США) производительностью 0,06—2280 мл/мин, имеющую до 10 параллельных каналов.

   Промышленные  насосы-дозаторы для стерильных жидкостей  могут быть созданы на базе имеющихся  в нестерильном исполнении путем уплотнения поршня, например применением специального сильфона. Такой пример описан в работе, и в настоящее время завод «Ригахиммаш» близок к выпуску первых отечественных промышленных насосов-дозаторов для стерильных жидкостей.

   Ожидается также прогресс в создании надежных, действующих в стерильных корродирующих  средах расходомеров. В таком случае, как отмечено выше, транспорт можно осуществлять насосами, передавливанием, самотеком и т. д. 

   ПРОВЕДЕНИЕ  ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

   Проведение  процесса ферментации с точки  зрения его инженерной реализации сводится к обеспечению дозированной согласно технологическому режиму подачи потоков в ферментатор, отвода из него культуральной жидкости, тепла, отработанного воздуха (газов) и измерению (если необходимо — поддержанию) нужных для конкретного биологического агента физико-химических параметров среды, а также к управлению межфазным транспортом веществ в культуральной жидкости, т. е. обеспечению оптимальных концентраций субстратов/продуктов для конкретной культуры и гомогенности среды внутри биореактора. При этом большинство сред — корродирующие, непрозрачные, многокомпонентные, пенящиеся. Они могут содержать нерастворимые компоненты.

   Если  задаться целью систематизации самих  технологических способов, то, как  показывает результат нашей попытки такой систематизации, их разнообразие настолько велико, что, в отличие от классификации конструкций аппаратов, получаемая система настолько сложна, что ее использование затруднительно. 
 

   ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ БИОРЕАКТОРА

   ТИПЫ  ФЕРМЕНТАТОРОВ И ОСОБЕННОСТИ  ПРОЦЕССОВ  КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

   Технически  наиболее сложным процессом ферментации  является глубинный, стерильный, непрерывный (с подпиткой),особенно на природном многокомпонентном сырье, образующем обильную пену.

   Ферментаторы  группы ФГ обычно обеспечивают дешевый  продукт, поэтому они используются при производстве дрожжей и других крупнотоннажных продуктов. Введение механической энергии сокращает длительность процесса культивирования, но связано с увеличением затрат. В результате нередко технико-экономические расчеты суммарной эффективности той или иной; конструкции аппарата сложны и окончательный выбор типа аппарата длится годами. Примером может служить производство лизина, где в течение последних 15 лет так и не дан окончательный ответ, какая группа аппаратов (ФГ или ФЖГК) наиболее приемлема.

   Хотя  классификация ферментаторов нами подробно рассмотрена ранее, все же следует отметить, что в иностранной литературе эти аппараты чаще всего различают по конструктивным признакам:

1. аппараты с мешалками  (ФЖГК — по нашей системе);
2. барботажные колонные реакторы (ФГ). Однако в эту группу входят аппараты с динамическими диспергаторами — эффекторами, инжекторами, соплами вентури (ФЖ), а также статическими соплами воздуха (ФГ). Деквер сюда же включает барботажные колонны с циркуляционным контуром обратного потока, хотя, после знакомства с данными Бланке, их можно также отнести к третьей группе;
3. третью группу, по мнению Бланке, составляют реакторы с выраженным (организованным) циркуляционным трактом (loop reactors), в том числе с механическими побудителями циркуляции (ФЖГК), газлифтные (ФГ), струйные (ФЖ), аппараты струи глубокого погружения (ФЖ) и др.

   Аппараты  для аэробной обработки сточных вод авторы не вводят в общую классификацию.

   Как известно, ферментаторы, перечисленные выше, главным образом создавались и применялись в течение «эры» антибиотиков и кормовых дрожжей. Они широко применяются и в наши дни. Однако прогресс в получении рекомбинантных культур выдвигает специальные требования к аппаратуре — биореакторам. Генетически модифицированные микроорганизмы являются более сложным объектом для биотехнологов и биоинженеров, так как при их использовании на первый план выдвигатся такие показатели, как стабильность модификаций биологических агентов, повышенные требования к асептике, лимитация срезовых усилий при перемешивании и т. д. Намечается тенденция объединить в биореакторе процессы биосинтеза и разделения полученных продуктов и биомасс. Нередко биореакторы этого класса комбинируются с внутренними или наружными системами мембран или осуществляется иммобилизация биологических агентов, что позволяет достичь высоких концентраций клеток, а следовательно, интенсифицировать процессы соответствующих биопревращений.

   Среди быстро развивающихся конструкций  для этих целей следует упомянуть:

1. биореакторы кипящего слоя (получение этилового спирта, циклоспорина, очистка сточных вод и др.);
2. биореакторы с подвижными микроносителями для биологических агентов, которые «любят» фиксироваться на поверхностях (получение интерферона и клеточных масс различного использования, например для продуцирования вирусов, для метанового брожения и т. д.). Системы весьма близки к иммобилизованным;
3. мембранные биореакторы с трубчатыми или ротирующими системами мембран (преимущественно экспериментальные) для выращивания клеточных культур и иммобилизации бактерий и дрожжей; применение широкое: получение вирусов, в том числе для производства вирусных вакцин, моноклональных антител, этанола, глюкозы, фруктозы и др.;
4. проточные колонны с иммобилизованными биологическими агентами широкого применения, начиная с получения этанола и кончая получением моноклональных антител.

   ПРИНЦИПЫ  ВЫБОРА БИОРЕАКТОРОВ

   Выбор или разработка биореакторов осуществляется исходя из их назначения. Для исследовательских  целей выбираются аппараты с универсальной системой перемешивания, для промышленных целей — специализированные. Ферментаторы для твердофазных (поверхностных) процессов описаны в работе. Неотъемлемым элементом ферментаторов является система пенорегулирования. 

   ПОЛУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ

   ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ  КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

   Возможны  следующие принципиальные варианты переработки культуральных жидкостей:

1. обезвоживание с получением всего сухого остатка в виде микробиологических концентратов;
2. фракционирование на биомассу и жидкую часть (фугат) с получением живой (хлебопекарные дрожжи, бактериальные удобрения и др.), ослабленной (вакцины) или инактивированной (кормовой белок) клеточной массы и продуктов различной степени очистки из фугата или фракций дезинтегратов биомасс.

   Методы  фракционирования - сепарирование, фильтрование, осаждение.

   Исходным  материалом для выделения продуктов  микробиологического   синтеза   является   культуральная   жидкость,    которая представляет собой сложную многофазную систему, содержащую клетки микроорганизмов, остатки питательной среды, жиры. Исследования фильтрационных характеристик культуральных жидкостей, в частности при получении антибиотиков, показали,, что содержание в них сухого остатка достигает 17% и более, а целевого продукта — не превышает 1,5%.

   Выделение целевого продукта из такой сложной  смеси связано с определенными трудностями и, как правило, зависит от эффективной предварительной очистки культуральных жидкостей.

   Независимо  от типа биосинтеза (внеклеточное или  внутриклеточное расположение целевого продукта) первой стадией подготовки культуральной жидкости для дальнейшей переработки является отделение взвешенной фазы — биомассы. На производстве это связано с переработкой больших объемов труднофильтруемых суспензий, значительными потерями целевого продукта, в определенной  степени  влияющими  на показатели  последующих стадий очистки.

   Фракционирование  целесообразно осуществить путем  сепарирования, имеющего ряд преимуществ перед фильтрацией и другими способами, а именно:

1. нет необходимости в применении фильтрующих добавок; кроме технологических удобств и экономии это позволяет ненужную для дальнейшей обработки фракцию использовать в корм животным;
2. сепарация как более надежный, непрерывный процесс дает-возможность обработать материал с наименьшими потерями активного вещества;
3. процесс легче поддается автоматизации, агрегаты занимают меньше помещений, легче осуществить мойку оборудования.