Периодическое и непрерывное действие установок (организация работы)

Периодический процесс подобен естественному ходу сельскохозяйственных работ от весеннего засева до сбора урожая. Непрерывный процесс подобен работе оранжерей, где растения растут, цветут и плодоносят круглый год.

Периодический процесс включает стадии:

а) стерилизация сред, биореактора и вспомогательного оборудования;

  • б) загрузка аппарата питательной средой;
  • в) внесение посевного материала (клетки, споры);
  • г) рост культуры, который может совпадать с синтезом;
  • д) синтез продукта (может совпадать с ростом);
  • е) отделение и очистка продукта;
  • ж) мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

В экспоненциальной фазе прирост биомассы

где ц — удельная скорость роста (коэффициент пропорциональности); С — концентрация; t — время.

В интегральной форме:

Ценные продукты синтезируются либо в экспоненциальной фазе (нуклеотиды, многие ферменты, витамины — первичные метаболиты), либо в стационарной фазе (антибиотики, красящие вещества — вторичные метаболиты или идиолиты).

Так, анаэробная бактерия Clostridium acetobutylicum вначале образует кислоты (в основном, масляную), а уже при пониженном pH — нейтральные продукты ацетон и бутанол. Этот процесс — двухфазный.

На практике организуют дифференцированные режимы культивирования, т. е. проводят ступенчатое изменение режима аэрации и перемешивания.

Применяется также периодическое культивирование с подпиткой, когда помимо внесения питательных веществ до введения объекта, питательные вещества добавляют еще порциями или «по каплям». Иногда добавляют биообъект.

При объемно-доливочном культивировании культуру регулярно «омолаживают», изымая часть объема и добавляя такой же объем среды (полунепрерывный метод).

Периодическое культивирование иногда сочетают с диализом. В этом методе субстрат непрерывно подают в культуральную жидкость через специальную мембрану. Диализ уменьшает концентрацию ингибиторов жизнедеятельности, которые непрерывно накапливаются. Одновременно удаляется часть жидкости, и урожай биомассы концентрируется.

Непрерывные процессы. В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в наиболее активной экспоненциальной фазе роста. Для этого в биореактор непрерывно подают свежую питательную среду и так же непрерывно выводят культуральную жидкость, содержащую биообъект (обычно клетки) и продукты его жизнедеятельности.

Главным принципом здесь является равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью за счет разбавления содержимого реактора свежей питательной средой:

где ц — удельная скорость роста клеток (см. уравнения (3.1) и (3.2)); D — коэффициент разбавления (скорость убыли концентрации).

В непрерывном режиме культивирования различают хемо- статный и турбидистатный метод.

В хемостатном режиме в биореактор с постоянной скоростью подается питательная среда, один из компонентов которой (например, 02) содержится либо в избытке, либо в недостатке. В саморегулирующейся системе биореактора равновесие (3.3) между поступлением (П) и оттоком (О) устанавливается автоматически:

  • • если Cgjf-j < С°Я, рост м.о. замедляется
  • • если С(°2 > С& рост м.о. активизируется и начинает концентрироваться биомасса.

Такой биореактор называется хемостатом. Он состоит из следующих частей:

  • • устройство для вливания питательной среды;
  • • выпускное приспособление для оттока;
  • • система контроля скорости протока.

В простейших вариантах насос подает жидкость с постоянной скоростью, а отток происходит через вертикальную трубу, как только уровень жидкости поднимется до верхнего края трубы.

Есть и более дорогостоящие методы, но более точные, в которых контролируется масса реактора либо используются радиоактивные и фотоэлектронные датчики.

Турбидистатный режим основан на прямом контроле концентрации биомассы. С помощью датчика (например, фотоэлемента) контролируется концентрация биомассы. Повышение концентрации служит сигналом к увеличению скорости протока и наоборот.

Турбидистат отличается от хемостата только системой контроля скорости протока.

Хемостаты успешно применяются при малом протоке, низкой скорости процесса. Турбидистаты применяются при высокой скорости роста, когда концентрация резко изменяется при изменении скорости протока и датчик срабатывает. Этот метод используется в основном при культивировании клеток. В тур- бидистате автоматически «приживается» наиболее быстрорастущий штамм. Затруднением является налипание клеток на фотоэлемент.

Существуют также одностадийное культивирование в одном реакторе и многостадийное одновременно в нескольких реакторах, расположенных последовательно или каскадом. При многостадийном культивировании режим в аппаратах дифференцирован.

В самом простом случае свежая среда подается в первый аппарат. В более сложных случаях ее вводят и на других стадиях. В этой схеме отдельные порции биомассы возвращают с более «поздних» стадий к более «ранним» (система рециркуляции). При этом увеличивается общий выход биомассы за счет возрастания скорости деления на ранней стадии.

При разработке новых процессов начинают с периодического культивирования. Переход к непрерывному методу целесообразен для больших масштабов производства. Он позволяет сократить время на погрузку и разгрузку реакторов, чистку и мойку.

Недостатки непрерывного метода: сложная конструкция аппаратов и система контроля, высокие требования к надежности аппаратов, так как выход из строя только одного приводит к нарушению работы всех других. Выход продукта на единицу объема аппарата здесь выше, но концентрация всегда ниже. Длительная эксплуатация аппаратов приводит к обрастанию труб и стенок. Мутантные или генно-инженерные штаммы продуцентов часто теряют свои свойства.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >