Ферменты и их роль в биотехнологических процессах.

УДК 66-93 (075.8)
ФЕРМЕНТЕРЫ И ИХ РОЛЬ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Петрашова Я.C., группа БИО-301
Научный руководитель: Мищенко Е.В., к.т.н., доцент
В современном мире множество продуктов и веществ производится из других составов с помощью микроорганизмов. Конечно же, это происходит не само
собой, а в специальных, микробиологических лабораториях. Процесс, который
осуществляют в этом случае микроорганизмы, называется ферментацией, а прибор, в котором они находятся в это время, называется ферментер или биореактор.
Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, стерилизующими
воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (то есть
процессы массо- и теплообмена) [1] (рис. 1).
Рис. 1. Общая схема ферментера
Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной
вместимости (малые от 1 до 10 л, многотоннажные более 1000 л) с минимальным
числом штуцеров и передающих устройств.
В микробиологических производствах в зависимости от особенностей процесса применяют разнообразные ферментеры, так, например, аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот [2]. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в так
называемых бродильных вентилируемых камерах, в которых на стеллажах размещены плоские металлические кюветы. В кюветы наливают жидкую питательную
среду (высота слоя составляет 80-150 мм), затем с потоком подаваемого воздуха
среду инокулируют спорами продуцента. В камере стабилизируется влажность,
температура и скорость подачи воздуха. После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днище штуцеры и поступает на обработку.
При твердофазной ферментации процесс также протекает в вентилируемых
камерах, но вместо кювет на стеллажах размещают лотки, в которые насыпают
сыпучую твердую среду слоем 10-15 мм. Для лучшей аэрации среды подаваемый
в камеру воздух проходит через перфорированное днище лотков.
Аппараты для аэробной глубинной ферментации наиболее сложны как конструкционно, так и с точки зрения их эксплуатации. Главная задача  обеспечение
высокой интенсивности массо- и энергообмена клеток со средой.
По структуре потоков ферментеры могут быть аппаратами полного перемешивания или полного вытеснения.
Конструктивные различия ферментеров определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды:
1.
ферментеры с подводом энергии к газовой фазе;
2.
ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе;
3.
ферментеры с комбинированным подводом энергии.
В аппаратах первого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. К таким ферментерам относят:
• барботажные ферментеры, подача воздуха в которых осуществляется через
барботажные устройства, расположенные в нижней части аппарата;
• аппараты с диффузором (эрлифтные аэраторы), имеющие внутренний цилиндр-диффузор, который обеспечивает перемешивание поступающих по распределительным трубам в нижнюю часть аппарата субстрата и воздуха;
• трубчатые ферментеры (газлифтные), состоящие из реактора кожухотрубчатого типа, через который жидкость потоком воздуха перемещается в верхнюю
часть аппарата и, попадая в сепаратор, возвращается в реактор, где снова увлекается воздухом, подвергаясь, таким образом, циркуляции;
• ферментеры с форсуночным воздухораспределением, оборудованные форсунками для подачи воздуха, расположенными в нижней части аппарата, и находящимся над ними диффузором, который обеспечивает внутреннюю циркуляцию
жидкости;
• ферментеры колонного типа, представляющие собой цилиндрическую колонну, разделенную горизонтальными перегородками (тарелками) на секции; воздух барботируется через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости
через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой
фаз.
К ферментерам с подводом энергии к жидкой фазе относят:
• аппараты с самовсасывающей турбиной, имеющие цилиндрический диффузор и мешалку с полыми лопастями и валом, при вращении которой за счет создаваемого разрежения происходит самовсасывание воздуха, благодаря чему происходит подъем жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками ап-
парата с последующим ее возвращением в диффузор;
• ферментеры с турбоэжекторными перемешивающими устройствами  аппараты, разделенные вертикальными перегородками на секции, в каждой из которой имеется самовсасывающая мешалка турбинного типа (эжектор) и диффузор,
для перемещения жидкости из секции в секцию в перегородках сделаны окна.
В ферментерах с комбинированным подводом энергии осуществлен подвод
энергии к газовой фазе для аэрации и к жидкой фазе для перемешивания. Ферментер представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой и барботером, который устанавливается, как правило, под нижним ярусом
мешалки. Такие биореакторы классифицируют по способу перемешивания, в соответствии с которым используются аппараты с механическим, пневматическим и
циркуляционным перемешиванием.
Аппараты с механическим перемешиванием имеют механическую мешалку,
состоящую из центрального вала и лопастей различной формы. Аэрация может
осуществляться путем барботажа. Разбрызгиванию воздуха в виде мелких пузырьков способствует механический вибратор, установленный рядом с барботером.
В аппаратах с пневматическим перемешиванием перемешивание и аэрация
усиливаются с помощью вращающихся дисков с отверстиями, установленных
вблизи барботера, или с помощью придонных пропеллеров. Классический эрлифтный аппарат дополнен диффузором, нижний обрез которого находится над
барботером. Возможны варианты подачи воздуха как во внутренний, так и во
внешний по отношению к диффузору объем среды.
Аппараты с циркуляционным перемешиванием содержат устройства (насосы, эжекторы), создающие направленный ток жидкости по замкнутому контуру.
Насос для циркуляции культуральной жидкости может соседствовать с барботером (сочетание пневматического и циркуляционного перемешивания). Существуют разные варианты такого типа аппаратов: аппараты типа «падающей струи»,
типа «погруженной струи», перемешивание с помощью эжектора. Аппараты циркуляционного типа часто заполняют твердыми частицами [3].
В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной
жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологического процесса. Работа отдельных
узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели
культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование,
рН, рО2, рСО2 среды) [4].
Главное требование к аппаратам  сохранение стерильности, поэтому они
должны быть герметичными, все линии трубопроводов должны быть доступны
для обработки горячим паром. Основное предназначение этих приборов 
обеспечение нормального функционирования и жизнедеятельности всех
микроорганизмов, находящихся внутри него. А это значит, обеспечение их
воздухом и питанием, а также отвод метаболитов. Как уже было сказано, все эти
процессы осуществляется путем постоянного и равномерного перемешивания [5].
Ферментеры применяются в различных областях микробиологической и
биотехнологической промышленности. Например, для создания лекарств, вакцин,
продуктов пищевой промышленности, а также различных других химических
соединений, использующихся практически во всех сферах современной жизни [6].
Конечно же, качество проводимой культивации зависит не только от типа
устройства, но и от фирмы-производителя. Существует несколько лидеров по
производству ферментеров как на отечественном, так и на зарубежном рынке.
Однако общепризнанным передовиком в ферментации в микробиологии считается
продукция, завезенная из Германии – биореакторы и ферментеры Sartorius (рис. 2).
Рис. 2. Ферментер BIOSTAT фирмы
Sartorius
Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом постоянно
совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например, фирма New
Brunswick Scientific Co., Inc. (США) предложила следующие типы ферментеров:
Био-Фло III, Микрос I, оснащенные микропроцессором и имеющие возможность
работать с ПК [7].
Стадия ферментации  центральная среди этапов биопроизводства, поэтому
использование ферментеров является основой большинства микробиологических
и биотехнологических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Егорова, Н.С. Биотехнология: учебное пособие для вузов /
Н.С.Егорова, В.Д.Самуилова. – М.: Высшая школа, 1987 – 208 с.
2. www.bio-rus.ru.
3. dic.academic.ru.
4. Основы фармацевтической биотехнологии: Учебное пособие /
Т.П.Прищеп, В.С.Чучалин, К.Л.Зайков, Л.К.Михалева. – Ростов-на-Дону.: Феникс;
Томск: Издательство НТЛ, 2006.  256 с.
5. Биотехнология: учебное пособие для студентов вузов / Ю.О.Сазыкин
[и др.] / под ред. А.В.Катлинского. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр
"Академия", 2008.  256 с.
6. www.mediana-eco.ru.
7. www.oborudka.ru.