Модуль 1. Введение в предмет «биотехнология». Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию. В середине 1960-х гг. многие пророчили. - презентация

1 Модуль 1. Введение в предмет «биотехнология»

2 Научные основы биотехнологии. Элементы, слагающие биотехнологию. В середине 1960-х гг. многие пророчили возникновение «новой биологии», развитие прикладных областей которой существенно изменило бы процедуры получения целого ряда химических и фармацевтических средств. Эта «революция» стала реальностью благодаря многочислен­ным открытиям последующего десятилетия в биохимии, в биологии клетки микробиологии, вирусологии и молекулярной биологии. Столь смелые надежды основывались в первую очередь на установлении структуры и функции определенных фер­ментов, их использовании в иммобилизованной форме прежде всего микробиологами и энзимологами в разно­образных производственных процессах, а также на том, что специалисты в области молекулярной генетики откры­ли способ модификации ДНК и перенесения ее из одних организмов в другие. Благодаря стреми­тельному прогрессу вирусологии (в исследованиях бакте­риофагов), микробиологии (в углубленном изучении физи­ологии, генетики и молекулярной биологии кишечной палочки (Escherichia coli), а также в изучении плазмид), молекулярной генетики (в установлении генетического кода) и энзимологии (в открытии ферментов рестрикции) были накоплены знания и разработаны методы генной инженерии. Одно­временно были по достоинству оценены и потенциальные возможности этих методов.

3 Термин «биотехнология» был придуман в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для опи­сания процесса крупномасштабного выращива­ния свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, био­технология это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых орга­низмов производятся те или иные продукты». Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин «биотехнология» относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной фер­ ментации, с другой применительно к той обла­сти, которая сейчас называется эргономикой. Та­кой двойственности пришел конец в 1961 г., когда шведский микробиолог Карл Гёрен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" («Жур­нал микробиологической и биохимической инжене­рии и технологии»), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиоло­гии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" («Биотехноло­гия и биоинженерия»). С этого момента биотех­нология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов» и встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и химической инженерии. По классическому определению - биотехнология, это в сущности, не что иное, как использо­вание культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических ве­ществ. Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биохимии, молекулярной биологии, микробио­логии, генетики и химической техники позволяет извле­кать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов, макроорганизмов и клеточных культур. Она создает воз­можность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей. Новейшее определение биотехнологии, предлагаемое академиком ВАСХНИЛ В.С. Шевелухи, это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

4 Особенности возникновения биотехнологии, природа и многообразие биотехнологических процессов Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В 1981 году при раскопках Вавилона бала обнаружена глиняная дощечка, датируемая примерно 6-м тысячелетием до нашей эры. На ней был записан рецепт изготовления пива. Что касается современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах генной инженерии. Основу генной инженерии составляют эксперименты с рекомбинантными молекулами ДНК. Согласно определению Национального института здоровья США, рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки, в пробирке, путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке. Основу эксперимента составляет встраивание природной или чужеродной ДНК в вектор, который представляет собой плазмиду или геном вируса. Затем рекомбинантную молекулу ДНК вводят, как правило, в бактериальную клетку, где она реплицируется. Этот процесс называется трансформацией. Клетка, содержащая такую рекомбинантную молекулу, размножается, образуя клон трансформированных клеток. Одна из целей биотехнологии заключается в том, чтобы получить клоны трансформированных клеток, способных продуцировать специфические, чужеродные для бактерий, белки в больших количествах. Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации, ферменты, культуры клеток и тканей, гибридомы, трансгенные организмы).

5 Не менее важна и технология иммобилизованных ферментов, получившая свое развитие в конце 60-х годов. По этой технологии различные ферменты связывают с пористым гелем или фиксируют на поверхности твердой подложки. Такие фиксированные (иммобилизованные) ферменты находят свое применение в промышленном производстве полусинтетических пенициллинов, получении концентрата фруктозы из крахмала зерновых культур и при проведении не-сложных биохимических анализов. Еще эффективнее оказываются иммобилизованные клетки или клеточные органеллы, поскольку они содержат все необходимые гены для синтеза сложных соединений. Биотехнологические процессы прежде всего связаны с использованием клеток грибов и микроорганизмов, однако, не менее существенную роль играет и использование клеток животных, на- пример для культивирования вирусов, при производстве вакцин, для получения интерферона, а так же при синтезе моноклональных антител клетками гибридом. В биотехнологии используются и растения и их клетки. Для широкомасштабного производства клонов растений используются меристемы, а культуры растительных клеток применяют для синтеза различных веществ, например, алкалоидов и других метаболитов растений. В настоящее время разработаны методы получения культур растительных клеток, ферментативного получения протопластов в больших количествах, слияния протопластов. Метод слияния протопластов позволяет увеличивать число и разнообразие растительных гибридов без применения полового размножения. Этот процесс регенерации нашел важное применение в сельскохозяйственной практике. На этом методе основано получение безвирусных растений, а так же размножение новых культурных сортов, которые обычно не размножаются вегетативно. Биологическое многообразие культур растительных клеток и тканей открывает интересные перспективы получения новых полезных соединений. Решение таких проблем, как нехватка продуктов питания и дефицит белка, вероятно, будет найдено с помощью биотехнологии за счет снижения стоимости производства аминокислот -необходимого компонента корма домашних животных, благодаря разработке методов получения белка одноклеточных (кормового белка), переработке парафинов и другого доступного сырья (целлюлозы, агропромышленных или сельскохозяйственных отходов, сточных вод), а так же путем клонирования растений и отбора высокоэффективных разновидностей. В перспективе на основе методов рекомбинантных ДНК биотехнология позволит освоить синтез растительных белков и добиться искусственного фотосинтеза и фиксации азота.

6 Периодизация развития биотехнологии История становления биотехнологии может быть подразделена на пять основных этапов (периодов), которые вследствие их важ­ности для развития биотехнологии иногда не совсем строго назы­вают «эрами». 1. Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехноло­гическими методами получали пиво, вино, сыр, хлеб, йогурт, ке­фир, разного рода ферментированную пищу. 2. Пастеровская эра ( гг.). Стали известны микроор­ганизмы-продуценты, и это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами. 3. Эра антибиотиков ( гг.). Были открыты пени­циллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработа­на технология культивирования клеток животных и получение вирусных вакцин, технология биотрансформации стероидных гормонов. 4. Постантибиотическая эра ( гг.). Созданы техно­логии аминокислот, микробиологического белка на парафинах нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разра­ботана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэроб­ной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический спо­соб получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличе­ния вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резин­ки). В этот период стали серьезно говорить о газохоле и вообще о техническом спирте как топливе для автомобилей. Созданы микробиологические технологии витаминов В 3 и B 12, а также микопротеина мицелиального микроскопического гри­ба, используемого как заменитель мяса. Ученые научились куль­тивировать изолированные растительные клетки, что положило начало биотехнологическому производству многих ценных лекар­ственных веществ с использованием огромного потенциала лекар­ственных растений. К этому же периоду относится зарождение биометаллургии бактериального выщелачивания меди и цинка из руд. 5. Эра новой биотехнологии(после 1975 г.). Характеризуется разработкой генной инженерии, которая позволяет целенаправ­ленно изменять геном микроорганизмов, переносить в него свойства, заимствованные из геномов растений и животных. Это позволило создать микробиологическую технологию человечес­кого инсулина, интерферона, соматотропного и ростовых гормо­нов и многого другого. Создана гибридомная технология, позволяющая получать мо-ноклональные антитела, являющиеся основой для огромного раз­нообразия диагностических препаратов. Появились так называе­мые «трансгенные» растения и животные, в которых осуществля­лось целенаправленное конструирование генома.

7 Центральные понятия биотехнологии БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОДУКТ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ Аппаратура для реализации биотехнологических процессов и получения конечного продукта. Типы ферментационных аппаратов, применяемых в анаэробных и аэробных процессах ферментации /поверхностное культивирование, глубинное, гомогенное проточное и периодическое.

8 Элементы слогающие биотехнологию, биотехнологическая система Аппаратура, технология БИООБЪЕКТБИООБЪЕКТ Режим культивирования Питательныйсубстрат Питательныйсубстрат Продуктбиотехнологии Продуктбиотехнологии

9 Технологические основы биотехнологических производств. Характеристика основных стадий биотехнологических процессов Биотехнологический процесс - совокупность последовательных этапов в реализации биотехнологической задачи I Предферментационная (подготовительная) II Ферментационная III Постферментационная (выделение готового продукта) Стадии

10 На этой стадии осуществляется хранение и подготовка культуры продуцента (инокулята), подготовка и получение питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологических и рециркулируемых воды и воздуха. Компоненты питательных сред подбирают на основании расчета материального баланса, связанного с трансформацией того или иного источника питания в клеточную биомассу и/или метаболит при учете расходуемой (выделяемой) энергии. Обычно качественный и количественный состав питательных сред указан в регламентной документации. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии для получения целевых продуктов: чаще всего это биомасса микроорганизмов - продуцентов. Таковыми являются бактерии и низшие грибы, однако иногда в качестве продуцентов могут выступать клетки высших эукариот (насекомых, млекопитающих, растений). Продуцент, его физиологобиохимические характеристики и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку продуцента в количествах, требуемых для начала процесса. Промышленный штамм в идеале должен удовлетворять следующим основным требованиям: 1) стабильности структурно-морфологических признаков и физиологической активности и эксплуатации в производстве; 2) повышенной скорости роста и биосинтеза целевого(-ых) продукта(ов); 3) достаточно широкому диапазону устойчивости к воздействию неблагоприятных внешних факторов (колебания температуры, рН, перемешиванию, вязкости среды); 4) умеренной требовательности к ограниченному числу источников питания; чем более широкий набор источников углерода, азота и других элементов может использовать производственный штамм, тем легче его культивировать, и с большей выгодой. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, т. е. проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный продуцент по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются разные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьируют. Предферментационная стадия

11 ДОБАВИТЬ ЗАГОЛОВОК СЛАЙДА - 1

12 Фильтрация

13 Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов. Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована различными способами в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта. Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в значительной мере определяется отношением микроорганизма-продуцента к кислороду. При использовании аэробных культур ферментационное оборудование и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен (перенос кислорода из газовой в жидкую фазу) обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста. Промышленное использование факультативных анаэробов не ставит задачи абсолютного исключения кислорода из среды, поэтому процессы этого типа (брожение) технологически проще аэробных. В начальной фазе этих процессов требуется лишь удалить кислород из газовой фазы над культуральной жидкостью, что может быть достигнуто введением инертного газа или просто вытеснением воздуха углекислотой, выделяемой клетками при метаболизме. Технологическое оформление строго анаэробных процессов сложнее, чем для процессов брожения, так как в этом случае необходимо полностью исключить возможность попадания кислорода в газовую, а оттуда и в жидкую среду. Вопросы термостатирования ферментационного процесса (подвода или отвода тепла в ходе ферментации) являются очень острыми в целом ряде производств биотехнологии. В аэробных условиях микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, что вызывает необходимость отвода тепла из аппаратов большого объема (сотни и тысячи кубометров). Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры. Наиболее приемлемый на практике способ теплоотвода - охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. устройства - осложняется небольшой разностью температур между содержимым биореактора (32-34 о С для дрожжей Candida) и охлаждающей водой (20 о С), температура которой в жаркое время года еще выше. Поэтому в реакторе создается развитая поверхность газообмена, увеличивается скорость движения жидкостей и т.д. Важно также поддерживать определенный состав питательной среды. В непрерывных процессах биосинтеза задача технолога сводится к поддержанию концентрации всех питательных веществ (и кислорода) и дозированному введению кислоты или щелочи для рН-статирования системы на заданном уровне. Простейшим вариантом управления стадией ферментации в периодическом режиме является изменение концентраций компонентов среды и её рН, а также введение необходимых добавок по заранее разработанной программе, реализуемой технологом в каждом цикле ферментации. Этот способ относительно прост и легко поддается автоматизации. Ферментационная стадия

14 Во многих случаях необходимо возможно полно исчерпывать компоненты питательной среды, чтобы они не попадали на последующие стадии переработки. Эта необходимость может быть вызвана рядом причин: - дороговизна или дефицитность субстрата; - вредное воздействие субстрата на качество готового продукта (например, при производстве дрожжей на парафинах, когда выделение остаточных количеств углеводородов из клеточной массы затруднено, поэтому добавляют дополнительные секции для дозревания или утилизации запасенных в цитоплазме углеводородов); - затруднения, возникающие на стадии выделения и очистки метаболитов при одновременном присутствии в культуральной жидкости неутилизированных веществ. Ферментация может происходить в строго асептических условиях или без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация); на жидких и твердых средах, анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация может протекать, в свою очередь, поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды). Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом. Непрерывная ферментация биообъектов осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны, т. е. в стационарной фазе. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения. При непрерывной ферментации в ферментерах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии. Обеспечение процесса ферментации с точки зрения инженерной реализации сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков (инокулята, воздуха или газовых смесей, питательных биогенных элементов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также к измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта.

15 Ферментационная стадия

16 ХЕМОСТАТНЫЙ РЕЖИМ ТУРБИДОСТАТНЫЙ РЕЖИМ рН-СТАТНЫЙ РЕЖИМ ОКСИСТАТНЫЙ РЕЖИМ основан на регулировании оптической плотности культуры для процессов, в которых имеется связь между приростом биомассы и изменениями рН для аэробных микроорганизмов лимитирование роста внешним фактором, например, недостатком субстрата Классификация по управлению

17 Постферментационная стадия Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной продукции и также обезвреживание отходов и побочных продуктов. Культуральная жидкость, образующаяся в процессе ферментации, представляет собой сложную многофазную систему: в водной фазе содержатся клетки продуцента, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды, мельчайшие капельки жира и пузырьки воздуха. В свою очередь, водная фаза культуральной жидкости (нативный раствор) включает большое количество органических и неорганических веществ, коллоидных фракций белков, сухой остаток культуральной жидкости - до 17 % и более, содержание биомассы в культуральной жидкости достигает 8-10 %. Концентрация целевого продукта чаще всего не превышает 1,5 %, что составляет менее 10 % сухого остатка. В зависимости от целевого назначения конечного продукта (для здравоохранения, технических целей, сельского хозяйства и т. д.), локализации конечного продукта (клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппаратуру, методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках.

18 Постферментационная стадия 1 Концентрирование и отделение биомассы от культуральной жидкости 2 Выделение инактивированной биомассы 3 Выделение жизнеспособных микроорганизмов 4 Выделение продуктов метаболизма из культуральной жидкости 5 Модификация и стабилизация продуктов

19

20 Типы ферментационных аппаратов, применяемых в анаэробных и аэробных процессах ферментации (поверхностное культивирование, глубинное, гомогенное проточное и периодическое) Аппараты для аэробной поверхностной ферментации широко применяются для производства органических кислот. 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. Твёрдофазный ферментёр Ферментёр для аэробного поверхностного культивирования Мембранный ферментёр

21 Ферментёр для глубинного культивирования

22 Классификация систем аэрации и перемешивания Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе. В аппаратах этого типа аэрация и перемешивание культуральной жидкости осуществляются сжатым воздухом, который подается в ферментер под определенным давлением. К таким ферментерам (биореакторам) 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 барботирует через слой жидкости каждой тарелки, а перемещение жидкости через кольцевую щель обеспечивает противоточное движение жидкой и газовой фаз.

23 Ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе. К таким аппаратам относят: аппарат с самовсасывающей турбиной, имеющий 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 аппарата с последующим ее возвращением в диффузор; ферментер с турбоэжекторными перемешивающими устройствами аппарат, разделенный 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.

24 Ферментеры с комбинированным подводом энергии. В этих аппаратах 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. Используется также классификация биореакторов по способу перемешивания, в соответствии с которой 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. Аппараты 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 (насадкой). Тип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью.

25 Классификация биореакторов по перемешиванию Перемешивание в биореакторах решает следующие задачи: интенсификация процессов массопередачи газ-жидкость и жидкость-клетка; интенсификация теплопередачи при термостатировании среды; диспергирование капель жидкости и пузырьков газа; выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды; выравнивание концентраций в объеме среды. Для аэрации культуральной среды при аэробных биотехнологических процессах используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболизма выделяются газообразные продукты (например, СО2), которые подлежат удалению. Анаэробные процессы зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности. Для этого существуют системы газоснабжения и газоотвода, примером которых служат аэраторы. Потребность в кислороде меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу кислорода.

26 Биореакторы с механическим перемешиванием – имеют мешалку, которая состоит из центрального вала и 6-8 лопастей, расположенных в несколько этажей. В систему перемешивания входят отражательные перегородки, которые переводят круговое движение жидкости в вихревое. Аэрация осуществляется путем подачи воздуха снизу через горизонтальную трубку с отверстиями (барботер). Такие биореакторы используют для производства кормовых дрожжей и спирта. Биореакторы с пневматическим перемешиванием – мешалка отсутствует; перемешивание осуществляется пузырьками газа. В таких биореакторах скорость массопередачи между газом и жидкостью усиливается вращающимися дисками с отверстиями или придонными пропеллерами. Возможен вариант, когда воздух подается не во внутренний, а во внешний объем среды. На пневматическом перемешивании основаны колоночные биореакторы, они разделены горизонтальными перегородками на этажи, это усиливает аэрацию и перемешивание. Такие биореакторы используют для культивирования клеток животных и растений. Биореакторы с циркуляционным перемешиванием – содержат насосы, которые создают направленный ток жидкости по замкнутому контуру. Жидкость увлекает за собой пузырьки газа. Разработаны аппараты, в которых сочетается циркуляционное и пневматическое перемешивание. Такие ферментаторы можно заполнять твердыми частицами (песок, куски обожженной глины, гранулы полимеров), это улучшает перемешивание, препятствует обрастанию стенок биообъектом, улучшает диспергирование воздуха в жидкости. При этом клетки растут в виде пленки на твердых частицах. Такие биореакторы используют для культивирования грибов и актиномицетов.