Из ферментаторов
Удаляемый из ферментатора воздух имеет влажность около 100% и содержит капельную влагу в количестве 40−60 г/м3, содержащую живые клетки микроорганизмов – продуцентов биологически активных веществ. Современные требования по охране труда и окружающей среды предписывают очистку отработанного воздуха перед выбросом в атмосферу от микробных клеток.
Отделение от воздуха капельной влаги приводит к удалению с жидкостью до 90% микробных клеток. В связи с этим на практике для очистки отработанного воздуха применяют систему «циклон + фильтр сетчатый». Циклон выполняет функции каплеотделителя, а фильтр, представляющий собой многослойный тканевый патрон из тонких стальных нитей, обеспечивает доочистку воздуха.
При очистке отработанного воздуха, имеющего высокую влажность, хорошо зарекомендовали себя металлокерамические фильтры, которые применяются в виде парного автоматизированного комплекса: один фильтр рабочий, другой – регенерируется продувкой паром. Переключение фильтров осуществляется в автоматическом режиме при увеличении гидравлического сопротивления фильтра до определенной (заданной) величины. Каждый ферментатор оборудуется автономной системой очистки отработанного воздуха, что исключает передачу инфекции по коммуникациям из одного ферментатора в другой.
Ферментация
В промышленной биотехнологии микроорганизмы культивируют поверхностным или глубинным (суспензионным) методами. Поверхностный метод отличается трудоемкостью, из-за чего получил ограниченное распространение. Чаще всего этим методом выращивают мицелиальные грибы (в тонком слое сыпучих или жидких сред), используемые для получения лимонной кислоты и ферментных препаратов.
При глубинном культивировании клетки суспендированы и находятся во взвешенном состоянии в объеме жидкой питательной среды. Глубинный метод пригоден для выращивания как аэробных, так и анаэробных культур и имеет ряд очевидных преимуществ перед поверхностным:
1) позволяет исключить непроизводительный ручной труд и значительно уменьшить производственные площади под ферментационныеаппараты;
2) обеспечивает высокий уровень стерильности процесса;
3) улучшает гигиену труда;
4) упрощает автоматизацию производства;
5) дает возможность осуществлять непрерывный процесс ферментации;
6) обеспечивает более полное использование питательных веществ среды.
Аппараты для глубинного культивирования микроорганизмов отличаются большим разнообразием конструкций, что особенно характерно для производств по выращиванию продуцентов белка. Тем не менее существуют типы ферментаторов, которые занимают доминирующее положение в отрасли. Например, в производстве кормовой биомассы микроорганизмов на средах с растворенным субстратом широко применяются малоэнергоемкие ферментаторы эрлифтного типа, в которых перемешивание среды (диспергирование газовой и жидкой фаз) осуществляется только за счет энергии вводимого воздуха с использованием принципа эрлифта, обеспечивающего циркуляцию жидкости вокруг направляющего диффузора (или циркуляционной трубы) за счет разности плотностей между увлекаемой (насыщенной) воздухом жидкостью внутри диффузора и дегазированной жидкостью (вне диффузора).
В асептических производствах широко применяются ферментаторы барботажного типа с механическим перемешиванием ферментационной среды. На отечественных предприятиях используют ферментаторы объемом до 100 м3 (15, 50, 63, 100 м3), за рубежом – до 300 м3. В связи с необходимостью строгого соблюдения требований стерильности ферментацию осуществляют в периодическом режиме со стерилизацией ферментатора и коммуникаций после каждой операции по выращиванию микроорганизмов. Выбор объема аппарата определяется не только мощностью производства по целевому метаболиту, но и достигнутым уровнем асептики производства. Нестерильная операция в ферментаторе большой емкости приводит к потере значительного количества питательной среды, часто содержащей дорогостоящие компоненты.
Ферментатор представляет собой герметичную цилиндрическую емкость из нержавеющей стали со сферическими крышкой и днищем (рис. 43). Аппарат оборудован перемешивающим устройством в виде 1–3 ярусной мешалки (чаще турбинного типа), барботером для подачи воздуха и коммуникациями для ввода питательной среды, посевного материала, пеногасителя, нейтрализующего агента и вывода отработанного воздуха.
В процессе ферментации выделяется большое количество тепла в результате жизнедеятельности микроорганизмов (биологическое тепло) и за счет работы мешалки. Охлаждение среды до оптимальной температуры производится с помощью наружной секционной водяной рубашки ферментатора и внутренних змеевиковых теплообменников. При необходимости охлаждающие устройства используются в качестве греющих при стерилизации ферментатора и питательной среды. Современные ферментаторы укомплектованы регулирующими устройствами и контрольно-измерительными приборами (автоматическое регулирование температуры, рН ферментационной среды, расхода воздуха, уровня пены, а также контроль давления, уровня жидкости, температуры и рН среды).
Рис. 43. Ферментатор емкостью 100 м3
1 – кольцевой барботер; 2 – пережимная труба; 3 – змеевиковый теплообменник; 4 – турбинная мешалка; 5 – соединительная муфта; 6 – крепление вала; 7 – секционная водяная рубашка; 8 – паровый затвор; 9 – электропривод; 10 – лестница
Перед каждой загрузкой ферментатора питательной средой производят подготовку его к работе, которая включает ряд последовательных операций.
После слива культуральной жидкости ферментатор промывают водой с помощью специальной моечной машинки, прогревают острым паром до температуры 100°С и охлаждают до 30–40°С. Используя люк-лаз, производят внутренний технический осмотр аппарата: проверяют состояние соединительных муфт вала, мешалок, барботера и устраняют обнаруженные дефекты. Затем ферментатор герметизируют и создают воздушное давление в аппарате 0,10–0,15 МПа. С помощью мыльного раствора проверяют на герметичность все фланцевые соединения, сварные швы и сальниковые уплотнения запорной арматуры. Если аппарат и прилегающие коммуникации герметичны, производят их стерилизацию. Ферментатор нагревают путем подачи острого пара через все входные и выходные коммуникации до 100–104°С при открытом выходе на линии отработанного воздуха, затем закрывают вентиль на выходе воздуха и продолжают нагрев до температуры 130–135°С, при которой производят выдержку в течение 1–2 ч. Одновременно с ферментатором стерилизуют фильтр тонкой очистки воздуха и пеногаситель в бачке.
Эффективность стерилизации оборудования оценивают по величине критерия Дейндорфера:
D = k ∙ τ,
где k – константа скорости отмирания микроорганизмов, мин−1;
τ – продолжительность стерилизации аппарата в изотермическом режиме, мин.
Условия стерилизации выбирают такими, чтобы величина критерия Дейндорфера составляла не менее 80.
По окончании стерилизации в ферментатор подают стерильный воздух, а в охлаждающие системы – холодную воду. Через УНС в ферментатор загружают стерильную питательную среду. В аппарате постоянно поддерживают давление воздуха 20–30 кПа, чтобы исключить проникновение инфекции в ферментатор с наружным воздухом. С этой же целью все незадействованные в процессе ферментации коммуникации защищаются паровыми затворами.
Коэффициент заполнения питательной средой геометрического объема ферментатора составляет 0,6–0,7. Свободное пространство используется для компенсации повышения уровня среды за счет увеличения газосодержания при аэрации и для регулирования уровня пены. В процессах ферментации наличие пены, с одной стороны, способствует интенсификации массообмена и увеличивает концентрацию кислорода в среде. С другой стороны, интенсивное пенообразование уменьшает полезный объем ферментатора. На практике уровень пены в аппарате постепенно возрастает от 0 до максимально допустимой величины, при достижении которой автоматически включается система пеногашения. Наибольшее распространение получили химические и механические способы пеногашения. Механические методы основаны на ударном воздействии на пену твердой поверхности (вращающийся гладкий диск, «беличье» колесо, пакет конических тарелок). В качестве химических пеногасителей применяют растительные масла (соевое, арахисовое), жиры животного происхождения (рыбий и свиной жир), синтетические поверхностно-активные вещества, например, органический полиэфир – пропинол Б-400. Для гашения пены в ферментаторах чаще всего используют предварительно простерилизованные химические пеногасители (пропинол Б-400), которые автоматически дозируются в ферментационную среду в виде водной эмульсии (соотношение пеногаситель: вода = 1: 5–1: 8) по сигналу датчика уровня пены в аппарате.
Несмотря на непрерывное совершенствование конструкции, современные биореакторы обладают такими недостатками, как недостаточно высокая скорость растворения кислорода в ферментационной среде, ограниченные возможности по отводу биологического тепла.
