Биореакторы pH в культуральной сред

Е. соИ и многие другие микроорганизмы, которые используются для экспрессии чужеродных белков, обычно растут только в присутствии кислорода. К сожалению, растворимость кислорода в водных средах ограничена, а по мере увеличения плотности культуры содержание растворенного кислорода в культуральной среде быстро падает. Более того, поскольку кислород растворяется очень медленно, эту проблему нельзя рещить простым продуванием через среду воздуха или кислорода даже при интенсивном перемешивании. При уменьшении концентрации кислорода экспоненциальный рост замедляется и культура медленно переходит в стационарную фазу, характеризующуюся другим метаболическим статусом. Одним из последствий этого является образование в клетках протеиназ, которые могут расщеплять белок-мишень. Проблему аэрации культуральной среды пытались решить разными способами изменением конструкции биореактора, повышением интенсивности продувания воздуха и перемешивания, добавлением в среду веществ, увеличивающих растворимость кислорода. Все это, однако, не привело ни к каким ощутимым результатам. [c.122]

Тщательное перемешивание культуры необходимо, во-первых, для равномерной доставки питательных веществ к клеткам и, во-вторых, для предотвращения накопления токсичных побочных продуктов метаболизма в каком-нибудь небольшом отсеке биореактора. Эффективное перемешивание относительно легко обеспечить при культивировании в небольших объемах, при крупномасштабном же культивировании поддержание гомогенности культуральной среды становится одной из главных проблем. [c.355]

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.

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]

Многие культуральные среды весьма агрессивны, и во избежание коррозийного или механического повреждения стенок биореактора его обычно изготавливают из нержавеющей стали или стекла. Стеклянные части чаще используют только в лабораторных биореакторах емкостью меньше 50 л. [c.358]

Эрлифтные биореакторы бывают двух основных типов. В первом случае реактор представляет собой одну емкость с центральной трубкой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реакторы с внутренней рециркуляцией) (рис. 16.4, В). Во втором культуральная среда проходит через отдельные, независимые каналы (реактор с внешней рециркуляцией) (рис. 16.4, Г). Конструкция эрлифтных реакторов с внутренней рециркуляцией проще, но если уж реактор построен, его объем и скорость циркуляции остаются неизменными. Напротив, биореактор с внешней рециркуляцией можно модифицировать и создавать разные условия ферментации. [c.359]

Ферментацию можно проводить по-разному. При периодической ферментации посевной материал вводят в свежую культуральную среду и проводят культивирование, не добавляя субстрат до тех пор, пока количество нужного продукта не достигнет максимума. В этих условиях рост культуры проходит шесть этапов латентную фазу, фазу ускорения, логарифмическую (log) фазу, фазу замедления, стационарную фазу и фазу отмирания. Больше всего белков синтезируется во время логарифмической фазы, а многие низкомолекулярные продукты — во время стационарной. При таком способе ферментации необходимо тщательно следить за тем, чтобы клетки были собраны в нужное время. При периодической ферментации с добавлением субстрата в биореактор добавляют свежую культуральную среду через разные интервалы времени, как правило для того, чтобы продлить логарифмическую фазу. Непрерывная ферментация предполагает добавление свежей среды в течение всего процесса и одновременное удаление клеток и отработанной среды. [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]

Устройства с инжектированием газа свободно падающими струями жидкостями целесообразно использовать в открытых бассейнах больших объемов (более 100 м ), например, для поверхностной аэрации воды в неглубоких аэротенках или в биореакторах с иммобилизованной микрофлорой [35]. Это же устройство может быть использовано в струйных аппаратах для окисления сульфитных щелоков (в целлюлозно-бумажной промышленности) и в ферментаторах (рис. б.7.4.2), работающих на разбавленных культуральных средах с содержанием редуцирующих веществ до 1,5 % [34]. Аэрационная часть аппарата представляет собой колонну, разделенную горизонтальными перегородками [c.530]

Для биореакторов с вращающи мися мешалками, благодаря которым воздух диспергируется в толще культуральной среды, очень часто основным экономическим фактором при масштабировании Является потребление энергии при перемешивании. Б общем виде безразмерное уравнение для двухфазного потока жидкости в емкости с вращающейся мешалкой выглядит следующим образом [c.436]

В большинстве аэробных биореакторов кислород поступает в культуральную среду из пузырьков воздуха, диспергированных в ней в этом случае необходимо оценить скорость массо- передачи кислорода в единице объема, и уравнение (77) принимает следующий вид [c.441]

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]

Плотность клеток микроорганизмов очень близка к плотности водной среды, в которой они растут, и при анализе теплопередачи в дисперсионных культурах бактерий и дрожжей,, обычно имеющих диаметр эквивалентной сферы меньше 10 мкм, культуральную среду можно рассматривать как однородную водную фазу. В аэрируемых биореакторах перенос тепла от культуральной среды к охлаждающим поверхностям осуществляется путем принудительной конвекции. Чтобы судить о потенциальной эффективности охлаждения, необходимо оценить соответствие характеристик водно-газовых смесей, образующихся при оптимальном транспорте кислорода, факторам,, способствующим увеличению теплопередачи от этой смеси к поверхности. [c.450]

Если в качестве источника кислорода используется воздух, то удельная конверсия кислорода в высокоэффективных лабораторных биореакторах редко превышает 0,2, а в обычных промышленных биореакторах она обычно составляет 0,1. Даже при таких низких величинах конверсии кислород нередко является лимитирующим рост фактором, поскольку скорость его транспорта не соответствует скорости потребления. Из рассмотрения уравнения (83), описывающего физическую абсорбцию кислорода культуральной средой, следует, что в системах с полностью перемешиваемой газовой фазой высокие значения удельной конверсии кислорода несовместимы с увеличением скорости транспорта кислорода до максимума. Очевидно, при решении этой проблемы следует учитывать технические и экономические факторы. Что касается биореакторов, в которых газовая фаза перемещается в режиме полного вытеснения,-то по [c.452]

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]

Согласно развиваемому системному подходу к анализу сложной совокупности процессов на микро- и макроуровнях, к эффектам, определяющим поведение системы на макроуровне, относится массопередача. Массообменные процессы в биореакторе непосредственно влияют на рост микроорганизмов, определяя скорость транспорта питательных веществ к клеткам и отвод продуктов метаболизма в среду в количестве, соответствующем стехиометрическим коэффициентам. Наибольший практический интерес, с точки зрения ограничения скорости процесса ферментации, представляют такие элементы питания, как кислород и углеродсодержащий субстрат, учитывая большую удельную потребность в них клеток, низкую растворимость в культуральной жидкости и присутствие в ферментационной среде в виде дисперсных фаз. [c.87]

Очень большое влияние на рост суспензионной среды оказывает ее непрерывное перемешивание, которое обеспечивает хорошую аэрацию и предотвращает осаждение клеток. В лабораторных условиях перемешивание достигается благодаря использованию качалок или роллерных установок. При промышленном выращивании суспензионных культур применяют специальные системы, в которых идут увеличение биомассы и синтез вторичных соединений, — биореакторы. Эти системы обладают важными преимуществами возможностью управлять процессом культивирования на основе показаний датчиков кроме того, большой объем культивируемого материала позволяет забирать значительные пробы, при этом стрессовые реакции у культуры клеток не возникают. В зависимости от способа перемешивания культуральной жидкости биореакторы делят на две группы. [c.182]

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]

Рис. 16.6. Схематическое представление промышленного синтеза белка АОРва . В скобках указан объем культуральной среды на каждом этапе. На ее долю приходится от 60 до 75% объема соответствуюших биореакторов (ферментеров).

Рис 120 Схема включения биореактора ell Gen в проточную систему с тангенциальным потоком культуральной среды (1 — свежеприготовленная среда, 2 — контроль уровня, 3 — культуральная система ell Gen 4 — перфузионная ячейка с тангенциальным потоком жидкости 5 — культуральная среда 6 — клетки 7 — освобожденная от клеток среда содержащая МкАТ 8 — насос [c.347]

Ключевыми факторами, влияющими на экономичность процесса в биореакторе, являются производительность и степень превращения, а они в свою очередь определяются теми физическими факторами, от которых зависит теплопередача и перенос массы, К этим факторам относятся 1) гидродинамические свойства суспендированных микроорганизмов 2) реологические свойства культуральных сред 3) электрокинетические свойства микроорганизмов 4) давление 5) поверхностные и пристеночные эффекты, а также эффекты, возникающие на границе раздела фаз 6) эффекты, связаные с наличием нескольких фаз в потоке 7) флотационные, седиментационные и сегрегационные эффекты. [c.417]

Поскольку микробные ферменты являются малообъемными нренаратами относительно невысокой стоимости, методы, нрименяемые для их производства, обычно осуществляются с использованием биореакторов (ферментеров), аналогичных по конструкции и функциях таковым, которые применяются при производстве антибиотиков. Выбор культуральной среды является весьма важным моментом в процессе производства, так как она обеспечивает растущий микроорганизм энергией, а также является источником необходимых элементов (углерода, азота и т. д.). Стоимость сырьевого материала непосредственно связана с ценой конечного продукта. [c.83]

При проведении процессов культивирования микроорганизмов в биореакторах с интенсивной аэрацией и перемешиванием среды, обеспечивающих высокую скорость сорбции кислорода, концентрация его в культуральной жидкости может превышать критическую для данной культуры ( i,> Скрит). В ЭТИХ УСЛОВИЯХ удельная скорость роста микроорганизмов не будет зависеть от концентрации кислорода в среде, и кинетика роста определится соотношением р,= л(5). Используя в качестве кинетического соотношения модель Моно—Иерусалимского, получим следующую систему уравнений [c.141]

Подд,ержание заданных параметров — дело не простое, когда непрерывно изменяются условия культивирования биообъекта вследствие многокомпонентности исходной питательной среды и культуральной жидкости на заключительной стадии ферментации, изменения pH в процессе роста, размножения и развития биообъекта, сложности регуляторных механизмов при биосинтезе целевых продуктов, к тому же возможно — нестабильных, различный уровень структурно-функциональной дифференцировки акариот, прокариот и эукариот, и пр Лишь при эксплуатации в колоннах иммобилизованных ферментов аппаратурное оформление технологических процессов существенно отличается от оформления процессов, когда используют, прежде всего, специальные биореакторы [c.291]

Технология получения энтомопатогенных препаратов включает следующие стадии 1) проверка маточной культуры на отсутствие свободного фага, продуктивность спор и кристаллов, на вирулен- тность 2) выращивание культуры в колбах до титра спор не менее 1,7 10 в 1 мл 3) пересев культуры из колб в посевной аппарат (0,05% на объем среды) 4) засев посевным материалом основного ферментатора (вносят 0,0012% инокулюма от объема среды в биореакторе). Продолжительность выращивания в посевных и головных ферментаторах - 35-40 часов при 28-30°С (исходное значение pH 6,3) до получения указанной выше плотности спор в 1мл среды. В процессе культивирования среда защелачивается до pH В, О-В, 5, поэтому перед тем, как передать ее на сепарирование, pH доводят до 6,0-6,2 подкислением. После сепарирования получают пасту (в среднем 100 кг из 1м культуральной жидкости) с влажностью 85% и содержанием спор 2 10 ° в 1 г. [c.472]

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]

В непрерывных процессах культивирования клетки постоянно поддерживаются в экспоненциальной фазе роста. С этой целью в биореактор непрерывно подается свежая питательная среда и обеспечивается отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Основным принципом непрерывных процессов (как уже отмечалось выше) является точное соблюдение равновесия между приростом биомассы вследствие деления клеток и их убылью в результате разбавления содержимого свежей средой. Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования. [c.32]

Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Его конструкция предусматривает наличие 1) приспособления для подачи питательной среды 2) устройства, обеспечивающего отток культуральной жидкости вместе с клетками, и 3) системы, контролирующей концентрацию элементов питательной среды и управляющей скоростью подачи питательной среды. [c.32]