Биореакторы температуры

Биореактор. Аппараты для проведения процессов культивирования микроорганизмов — биореакторы — можно рассматривать как технические системы, предназначенные для преобразования необходимых материальных и энергетических потоков в процессе роста и размножения клеток. Биохимические реакторы представляют собой основное технологическое оборудование, элементы схемы производства в целом, а эффективность их функционирования определяет в основном технико-экономические показатели биотехнологической системы. Многообразие форм конструктивного оформления биореакторов определяется технологическими и микробиологическими требованиями осуществляемого процесса ферментации. Так, схема на рис. 1.4 иллюстрирует различные процессы микробиологического синтеза, осуществляемые в промышленных биореакторах, а также основные условия их проведения. В биореакторе необходимо поддержание заданной температуры культивирования 1, давления Р, pH среды, окислительно-восстановительного потенциала еН, уровня растворенного кислорода Со времени ферментации т и концентрации лимитирующего субстрата 5. Для обеспечения заданных физико-химических параметров протекания процесса в биореакторе должны быть выдержаны необходимые условия тепло- и массообмена, аэрации среды и режима гидродинамического перемешивания. Рассмотренные на схеме процессы осуществляются в результате глубинного культивирования микроорганизмов в условиях аэрации и перемешивания среды. Известны также биореакторы для осуществления процесса путем поверхностного культивирования клеток с использованием микробиологических пленок и флокул, а также биореакторы для процессов с иммобилизованными на носителях ферментами [22]. [c.12]

Условия функционирования узла следующие. В биореактор поступают потоки питательной среды /.], нейтрализующего агента 2 и культуральной жидкости L (после сепарационного разделения последний содержит определенное количество клеток микроорганизмов). В отводимом из сепаратора потоке Ц находятся концентрированная биомасса микроорганизмов и некоторое количество неутилизированной питательной среды (субстрата). Поток суспензии микроорганизмов из биореактора в сепаратор обозначим з. Биореактор имеет систему охлаждения II, обеспечивающую поддержание заданной температуры процесса ферментации в условиях выделения тепла при реакции биосинтеза. Суспензия микроорганизмов при сепарации дополнительно подогревается. Биореактор представлен в виде трех операторов — I — смешение , II — теплообмен , III — биохимический синтез , а сепаратор в виде двух операторов — IV — теплообмен и V — разделение . [c.19]

Независимо от типа биореактора в ходе ферментации необходимо строго контролировать такие параметры, как концентрация растворенного кислорода, pH, температура и интенсивность перемешивания. Слишком сильное изменение любого из них может существенно снизить скорость роста клеток и стабильность белкового продукта. [c.354]

Двухступенчатая ферментация в большом биореакторе (>100 л) встречается с определенными трудностями, поскольку технически очень сложно быстро повысить температуру (обычно с 30 до 42 °С) в большом объеме или обеспечить быстрое и равномерное распределение химического индуктора. Эту проблему можно решить, если использовать два сообщающихся биореактора (двухступенчатая ферментация) клетки выращивают в одном из них, а индукцию осуществляют в другом. Это позволяет оптимизировать процессы роста и индукции по отдельности и увеличить количество продукта, синтезируемого за единицу времени. [c.360]

Использованный в этой работе эрлифтный ферментер с двойной наружной рециркуляцией (рис. 16.5) позволил упростить регуляцию относительных рабочих объемов ферментеров, а также повысить гибкость системы (обеспечивать разные условия роста для разных популяций рекомбинантных клеток). При синтезе ДНК-лига-зы наилучшие результаты были получены при ежеминутном поступлении примерно 33 мл клеточной суспензии из первого биореактора во второй. Это эквивалентно всего 0,67% объема биореактора, где осуществлялась индукция, что обеспечивало практически мгновенный подъем температуры всей поступающей суспензии с 30 [c.360]

Для крупномасштабного культивирования рекомбинантных микроорганизмов в промыщленных биореакторах (>1000 л) недостаточно просто экстраполировать условия роста в лабораторных ферментерах (0,1—1,0 л). При конструировании промышленных биореакторов необходимо учитывать такие параметры, как температура, pH, скорость и характер перемешивания, потребность аэробных организмов в кислороде, количество питательных веществ. [c.367]

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]

Сложность биологических систем сказывается на необходимости многопрофильного контроля за ними, например, в биореакторах (таблица 32) Указанные в таблице виды контроля в основном характерны для культивирования биообъектов в реакторах большой емкости На небольших биореакторах число контролируемых параметров заметно сокращается (например, чаще регистрируют лишь температуру, pH, подачу стерильного воздуха и количество клеток и/или метаболита) [c.277]

Из-за повышенной чувствительности животных клеток к различным внешним воздействиям важно исключить не только повреждающее действие перемешивающих систем в биореакторах, но и заметные колебания температуры, поскольку ниже 37°С клетки растут очень медленно, а выше 37°С они теряют жизнеспособность. Температурный контроль при этом осложняется тем, что скорость перемешивания среды с микроносителем малая и, следовательно, эффективность теплопередачи заметно снижается. Однако в отличие от микробных ферментаций, здесь нет проблемы с отводом тепла, образующегося в процессе метаболизма клеточной культуры. Определено, что теплоемкость должна быть 712 10 Дж/час/л культуры, содержащей 10 клеток. [c.348]

Если говорить о других условиях среды, то совершенно очевидно, что наиболее пригодны для использования в промышленности микроорганизмы с широкими диапазонами оптимумов pH, концентрации растворенного кислорода и температуры. Впрочем, частично эти трудности позволяют обойти техническое усовершенствование установок и улучшение контроля за условиями в них. Отметим, однако, что в некоторых новых конструкциях промышленных биореакторов, в частности в колонных аппаратах и в циклических системах под давлением, создаются значительные градиенты как физических параметров, так и концентраций питательных веществ. Если экономические преимущества подобных систем над более привычными достаточно велики, то для достижения высокой экономичности процесса в целом крайне важно, чтобы в нем принимали участие микроорганизмы, сохраняющие высокую продуктивность в быстро меняющихся условиях. [c.416]

Одна из основных задач, которые приходится решать химикам-технологам при конструировании биореакторов, — это обеспечение эффективного переноса кислорода в промышленных биореакторах, где осуществляются аэробные микробиологические процессы. Независимо от того, в каком режиме осуществляется аэробный микробиологический процесс — периодическом, полунепрерывном или непрерывном, — в установку должен непрерывно подаваться кислород для достижения достаточно высокой производительности. Потребность аэробной культуры в кислороде зависит от концентрации микроорганизмов в реакторе, скорости их роста и соответствующего коэффициента выхода. В некоторых случаях могут играть роль и другие факторы, например необходимость удаления из культуры двуокиси углерода, особенно для процессов, в которых в качестве источника кислорода используется воздух, который как раз и служит источником кислорода в подавляющем большинстве аэробных микробиологических процессов. При тех температурах, при которых обычно протекают микробиологические процессы (10— [c.437]

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]

Понятие теплового подобия применяется в случае технологических систем, в которых происходит теплопередача в этом случае к единицам длины, силы и времени добавляется температура. Тепло может передаваться от одной точки системы к другой с помощью разных механизмов излучения, теплопроводности, конвекции или переноса вещества под действием градиента давления. Первые три процесса осуществляются за счет разницы в температурах, а четвертый определяется характером потока в системе. Тепловое подобие имеет место в геометрически подобных системах, когда отношения соответственных разностей температур постоянны, а когда такие системы находятся в движении, они также и кинематически подобны. Тепловое подобие должно учитываться при разработке режима стерилизации биореакторов, особенно в плане теплового повреждения материала, а также при охлаждении биореакторов. [c.435]

Биотический потенциал каждой популяции велик. В искусственных экосистемах (очистных сооружениях, биореакторах, агротехнических экосистемах) для реализации его создают оптимальные условия (дополнительно подводят энергию, питательные вещества). В естественных условиях абиотические факторы (неоптимальные для роста температура, влажность, кислотность среды и др.), дефицит какого-либо субстрата, наличие патогенных агентов ограничивают увеличение численности популяции. В результате нарушения равновесия между биотическим потенциалом популяции и сопротивлением окружающей ее среды численность популяции изменяется. [c.23]

Стерильная питательная среда в момент введения в биореактор имеет температуру, близкую к среде выращивания продуцента (32—35°С), или около 80°С. В последнем случае для достижения температуры проведения процесса культивирования жидкую фазу охлаждают подачей холодной воды в рубашку аппарата или в теплообменники, расположенные внутри самого ферментера. [c.35]

Современный этап развития промышленной биотехнологии требует создания надежных экспресс-методов количественного изучения свойств живых клеток как продуцента необходимых веществ. В области производства микробного белка появились исследования и рекомендации по так называемому морфометрическому контролю культуры, основанные на стандартизованном анализе фотографий клеток, полученных в поле зрения сканирующего микроскопа, с помощью ЭВМ по соответствующей программе. Хотя этот подход и не нашел пока широкого практического применения, его следует рассматривать как шаг вперед в решении задачи управления. Тем ие менее контроль и управление периодическим биосинтезом метаболитов основан все еще на медленных и малоэффективных методах исследования. Настоятельная необходимость использования в первую очередь именно здесь АСУ ТП заставляет использовать параметры, лишь косвенно характеризующие обстановку в биореакторе, а именно температуру, pH, концентрацию субстрата, кислорода, источников азота, фосфора и т. п., а также титр клеток, содержание основного и побочных метаболитов, спор и токсинов и т. д. Наиболее [c.23]

Активность и репродуктивная способность микроорганизмов зависят от температуры. Метановое брожение протекает при температурах от 10—15 до 55—60 и даже до 100 °С. Метан получают в биореакторах в результате мезофильных (около 33 °С) и термофильных (55—60 °С) процессов, которым соответствуют наивысшие значения метаболической активности. [c.208]

В последнее время в биотехнологию внедряется принцип дифференцирования режимов культивирования разные этапы одного и того же процесса осуществляются при различных условиях - температура, рП, аэрация и т. п. Естественно, это создает новые (дополнительные) требования при конструировании реакторов. Таким образом, в соответствии с основными принципами реализации биотехнологических процессов современные биореакторы должны обладать следующими системами [c.31]

Размер биореактора лимитируется его способностью эффективно отдавать тепло, вьщеля-емое микроорганизмами в ходе метаболизма и высвобождаемое в результате перемешивания. Если теплоотдача недостаточна, температура среды может превысить критическую, что уменьшит выход продукта. Для отвода тепла используют охлаждающую рубашку или змеевики, помещаемые внутрь реактора. Внутреннее охлаждение более эффективно, однако змеевики часто покрываются слоем растущих клеток, что за- [c.358]

Все эти соображения относятся и к пневматическим реакторам типа барботажньгх колонн и эрлифтньгх биореакторов. Таким образом, обеспечение стерильности, постоянства pH и температуры - ключевые требования при любом способе культивирования независимо от конструкции биореактора. [c.358]

Рис. 16.5. Система из двух эрлифтных биореакторов, используюшаяся для температурной индукции синтеза белкового продукта. Из ферментера, в котором осуществляется культивирование при 30 °С (слева), клетки поступают в ферментер с температурой 42 °С (справа), где происхоит индукция. У обоих биореакторов имеется двойное внешнее рециркуляционное устройство, оснащенное задвижками. Изменяя положение задвижек, можно создавать рабочий объем, оптимальный для данных условий.

Вопросы термостатирования ферментационного процесса, т. е. подвода или отвода тепла в ходе ферментации, являются очень острыми в целом ряде производств биотехнологии. В аэробных условиях, особенно при производстве белка одноклеточных, микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, поэтому перед технологами возникает проблема отведения значительных количеств тепла из аппаратов большого объема (сотни и даже тысячи кубометров). Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры, который укладывается обычно в интервал 2—3°. К сожалению, наиболее приемлемый на практике способ теплоотвода — охлаждение оборотной водой через змеевики, рубашки и другие устройства — осложняется в микробиологической промышленности очень малой разностью температур между содержимым биореактора (32—34°С для дрожжей andida) и охлаждающей водой, которая поступает в теплообменные устройства с градирни с температурой более 20°С, а в жаркое время года — и еще выше. Это заставляет создавать в биореакторе развитую поверхность теплообмена, постоянно бороться со шламообразованием и обрастанием поверхности теплообменных устройств, а также увеличивать скорости движения жидкостей у обеих поверхностей теплообменника за счет большого объема прокачиваемой внутри труб или рубашек охлаждающей воды и интенсивной циркуляции жидкости, находящейся в биореакторе. [c.21]

Микробиологические процессы протекают, как правило, в интервале температур 30—40°С, поэтому темплосъем крайне затрудняется малой разностью температур между средой в биореакторе и охлаждающей водой, которая в свою очередь охлаждается затем на градирнях. В жаркие периоды года разность температур воды внутри биореактора и в охлаждающей системе составляет иногда. всего несколько градусов, что заставляет резко увеличивать поверхности теплообмена в аппаратах и прокачивать через рубашки, змеевики и т. п. огромное количество оборотной воды. Понятно, что сброс охлаждающей воды без очистки в водоемы невозможен, так как через неплотности в конструктивных элементах биореактора всегда возможно попадание некоторого количества клеток и культуральной жидкости в хладоагент. Поэтому поток оборотной воды замкнут в цикл, что исключает ее попадание в окружающий водный бассейн. [c.31]

Лучшая органическая масса для получения биогаза — навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными отходами при соотношении этих компонентов 1 2 или 1 1. Удельный выход биогаза при этом на 15—20% выше, чем при применении одного навоза. Переработка навоза от одной условной головы крупного рогатого скота позволяет получать 900 кВт-ч электроэнергии в год. Остальная энергия идет на 0б01рев животноводческих помещений и поддержание температуры в биореакторе (Листов и др., 1976). [c.225]

В подсобном хозяйстве Машиностроительного научно-производственного объединения г. Сумы (УССР) с 1984 г. эксплуатируется биогазовая установка на свиноферме с 3000 свиней. Среднесуточный выход биогаза 350—550 м сут, температура сбраживания 40—41 °С, загрузка биореактора происходит 2 раза в сутки по 15 м навоза. Установка обслуживается одним аппаратчиком, биогаз используется только для получения пара для нужд кормоприготовления. [c.226]

Крайне важным является обеспечение должного уровня теилообмеиа в биореакторах, поскольку жизнедеятельность и метаболическая активность объектов зависит в значительной степени от колебаний температуры. Поддержание температуры в определенном узком диапазоне диктуется 1) резким снижением активности ферментов по мере падения температуры и 2) необратимой инактивацией (денатурацией) макромолекул (в первую очередь белков) при ее повышении до критических значений. Температурный оптимум у кавдого организма лежит в определенных пределах. Большинство биотехнологических процессов осуществляется в мезофильных условиях (30-50 С). С одной стороны, это имеет преимущество, потому что лишь в редких случаях приходится обеспечивать повышенный подогрев реакторов. Однако, с другой стороны, возникает проблема удаления избыточного тепла, выделяющегося при интенсивном росте культивируемых клеток, поэтому биореактор должен быть оснащен эффективной системой охлаждения. [c.30]

Биокатализаторы (цельные клетки или ферменты) могут быть свободными или иммобилизованными путем прикрепления к поверхности биореактора или к специальным устройствам. Обычно реакции, протекающие в ферменторах, осуществляются при умеренных значениях pH (около нейтрального) и температуры (от 20 до 60 С). Нри многих биотехнологических процессах конечные продукты метаболизма (так называемые целевые продукты) накапливаются в низких концентрациях в растворимой фазе (в водной среде) и требуют сепарации, превде чем будут направлены на реализацию. [c.34]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология