Биореакторы с механическим перемешиванием среды

Биореакторы с механическим перемешиванием среды [c.137]

Все биореакторы можно отнести к одному из трех основных типов реакторы с механическим перемешиванием, барботажные колонны, эрлифтные реакторы. В настояшее время в промышленности чаще всего используются биореакторы первого типа, но появляется интерес и к эрлифтным биореакторам. Механическое перемешивание обеспечивается с помощью механической мешалки, а в эрлифтных биореакторах для аэрации и перемешивания используют газ (обычно воздух), который подается под давлением через разбрызгиватель в дне сосуда. При этом во всем объеме происходит непрерывная циркуляция жидкой среды. Барботажные колонны сходны с эрлифтными реакторами, но их недостатком является отсутствие циркуляции культуральной среды. Для обеспечения стерильности, постоянства pH, температуры и других параметров используют разные способы в зависимости от дизайна биореактора. Для синтеза рекомбинантных белков применяют двухступенчатые процессы ферментации, осуществляемые в тандемных эрлифтных биореакторах или в одном реакторе с механическим перемешиванием. [c.368]

Определенные требования на выбор варианта аппаратурного оформления процесса культивирования микроорганизмов накладывает величина объема выпуска продукции. При создании крупно-тоннажных биореакторов большого объема (до 1000 м и более) могут оказаться неприемлемыми технические решения, эффективные для небольших по объему аппаратов. Так, трудности в разработке мощных приводов для механических перемешивающих устройств обусловливают переход к промышленным биореакторам с распределенным вводом энергии с использованием нескольких приводов, что в свою очередь затрудняет решение вопросов стерильности, механической надежности и т. д. Характерной особенностью конструкций биореакторов является выбранный принцип перемешивания среды, определяющий способ ввода энергии, а в ряде случаев и эффективность массообменных процессов в аппарате. [c.196]

Рис. 16.4. Разные типы биореакторов (упрощенная схема). Л. Реактор с механическим перемешиванием. Б. Барботажная колонна. В. Эрлифтный реактор с внутренней рециркуляцией. Г. Эрлифтный реактор с внешней системой рециркуляции. Стрелки — направление потока культуральной среды.

Большинство промышленных биореакторов снабжено охлаждающим кожухом и/или внутренними охлаждающими змеевиками. В последнее время для интенсификации процессов в биореакторах как обычной конструкции, так и новых конфигураций стали использовать наружные охлаждающие контуры. В некоторых реакторах новых конфигураций внутренняя охлаждающая система настолько нарушает основные гидродинамические рабочие характеристики, что исключает такое охлаждение. При увеличении размера реактора создание необходимой внутренней охлаждающей поверхности становится все более трудной задачей. Для геометрически подобных емкостей увеличение объема пропорционально кубу линейных размеров, при этом площадь увеличивается только пропорционально квадрату линейных размеров. Эффективность охлаждения аэробных биореакторов зависит от следующих факторов 1) переноса тепла от отдельных клеток в культуральную среду 2) переноса тепла от культуральной среды, содержащей диспергированные пузырьки газа и микроорганизмы, к охлаждающим поверхностям 3) поступления тепла за счет рассеяния механической энергии, затрачиваемой на перемешивание среды с целью ее аэрации 4) охлаждения при испарении, выравнивания температур и работы при расширении, связанной с прохождением воздуха через среду 5) изменения коэффициента теплопередачи вследствие загрязнения охлаждающих поверхностей накапливающимися на них микроорганизмами. Потенциальную значимость этих факторов необходимо рассматривать отдельно для каждой технологической системы. [c.449]

В реакторах с механическим перемещиванием газ (как правило, воздух) подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель — кольцо с множеством маленьких отверстий либо трубку с одним отверстием. В первом случае образуются мелкие пузырьки воздуха и обеспечивается их более равномерное распределение, однако разбрызгиватели в виде трубок используются чаще, поскольку они реже закупориваются. Для равномерного распределения газа по всему объему биореактора используются мешалки — одна или несколько. Они разбивают крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде. При сильном перемешивании средний размер пузырьков в больших биореакторах практически не зависит от размера отверстий в разбрызгивателе. Эффективность распределения газа зависит прежде всего от типа мешалки, числа оборотов и физико-химических свойств среды. Если размер биореактора слишком велик, а газ, поступающий из разбрызгивателя, распределяется по объему неравномерно, то даже при энергичном перемешивании гомогенизировать среду не удается. [c.358]

В этом отношении более эффективными являются биореакторы с механическим перемешиванием среды. Разработано большое число конструкций аппаратов с механическими мешалками различного типа. Аэрация среды в аппарате обеспечивается за счет нагнетания воздуха и его диспергирования мешалкой. Для организации лучшей циркуляции среды мешалку размещают в диффузоре. Объем апиарата с одним перемешивающим устройством определяется мощностью привода и условиями равномерного рас-нределения диссипируемой энергии и достигает до 300 м , а скорость сорбции кислорода до 10—12 кг 02/(мЗ- ч) [12]. [c.202]

Гидродинамическая структура жидкостного потока в колонном биореакторе может соответствовать идеальному перемешиванию при наличии контура циркуляции, или приближаться к идеальному вытеснению при прямоточном взаимодействии барботируемого газа и питательной среды, что позволяет применять эти аппараты для широкого класса процессов культивирования аэробных микроорганизмов [20]. Необходимая величина скорости сорбции кислорода, с учетом потребления кислорода микроорганизмами, достигается в основном расходом газовой фазы и относительной скоростью движения газового и жидкостного потоков. В работах [5, 12, 20] рассмотрены примеры использования секционированных колонных бнореакторов в процессах микробиологического синтеза. В многоступенчатом колонном биореакторе, состоящем из секций, разделенных перфорированными тарелками, подача субстрата осуществляется на нижнюю тарелку, а вывод суспензии микроорганизмов — сверху. Дополнительно к турбулизацин жидкости барботируемым газом в ряде аппаратов применяется механическое пере.мешнванпе за счет лопастных мешалок, находящихся в каждой секции колонны и помещенных на центральной оси. Движение жидкости и газа в ферментере обычно противоточное. За счет дополнительного механического перемешивания каждая секция колонны работает как ячейка полного смешения. [c.206]

Хорошо известны бнореакторы с механическим перемешивающим устройством типа ультрамикс и мультистаг , разрабатываемые фирмой Хеман . Применение многоступенчатой мешалки и перфорированного центрального диффузора в аппарате создает хорошие условия для равномерного диспергирования подаваемого газа во всем биореакторе. Высокая удельная энергия на перемешивание (6—8 кВт/м ) обеспечивает интенсивную турбулизацию среды и массопередачу кислорода в системе газ—жидкость— клетка. Производительность такого аппарата объемом 300 м прн выращивании дрожжей на углеводородном субстрате составит до 15—20 т биомассы в сутки. [c.202]

Другим частным критерием, учитывающим текущие эксплуатационные затраты на процесс в бпореакторе, принят критерий Фг. Данный критерий учитывает затраты, связанные с вводимой в биореактор внешней энергией, расходуемой на аэрацию, снабжение микроорганизмов кислородом и перемешивание (механическое, циркуляционное и т. д.) ферментационной среды. Отнеся суммарные энергозатраты к производительности бнореактора в непрерывном процессе, имеем [c.212]

При интенсивном перемешивании культуральной среды в процессе ферментации часто происходит ее вспенивание. Это может привести к переувлажнению фильтра в отверстии, через которое воздух выходит из биореактора, и уменьшению его потока, а также к попаданию в реактор посторонних микроорганизмов. Для контроля пенообразования используют химические пеногасители или механические сбиватели пены. Однако в присутствии химических реагентов может ухудшаться перенос кислорода, а иногда происходить ингибирование клеточных ферментов, что уменьшает скорость роста микроорганизмов. Кроме того, если пеногасители не удалять, они могут загрязнять конечный продукт. Проблему вспенивания можно решить, если оставить в верхней части биореактора достаточно большое пустое пространство, в котором лопались бы пузырьки воздуха. Правда, в этом случае рабочий объем реактора уменьшится примерно на 25%. [c.358]