2.3 Лабораторни, пилотни и промишлени биореактори: проблеми с мащабирането.
Технологията на производствения процес се разработва поетапно: в лабораторни, пилотни (пилотни) и промишлени инсталации. Следните обеми на устройствата са по-често срещани: 0,5 - 100 l за лабораторни, 100 l - 5 m 3 за пилотни и 5 - 1000 m 3 и повече за промишлени биореактори. На всеки етап от мащабирането на биотехнологичния процес - мащабен преход, мащабиране на процеса - се установяват собствените му задачи за създаване на производство и оптимизирането му.
Лабораторните апаратинаподобяват индустриални системи за аериране и смесване по форма и дизайн. Те се класифицират в същите типове като индустриалните биореактори. Вярно е, че най-често в лабораторен мащаб се използват апарати с механично разбъркване и барботиране. Типът лабораторен биореактор не отговаря непременно на типа промишлен апарат, проектиран за същия процес. Успешното мащабиране не означава запазване на принципа на проектиране, а съвпадение на критичните характеристики на процеса.
Сравнително ниските инсталационни и експлоатационни разходи позволяват лабораторните биореактори да бъдат широко използвани за решаване на следните проблеми:
кинетичен- измерва скоростта на клетъчния растеж, използването на субстрата и образуването на целевия продукт;
масопренос- изчисляване на коефициентите на масопренос, скоростта на навлизане на кислород и други газове в околната среда, скоростта на освобождаване на околната среда от газообразни отпадъчни продукти;
стехиометричен- задайте коефициентите в общите уравнения на химични реакции, които свързват консумираните субстрати и кислород с получената цел и странични продукти.
Пилотните биореакторисъщо се наричат пилотни,което подчертава природатаразработки - пионер, търсене, "посочване на пътя". На този етап на мащабиране, най-общо казано, е възможно да се дублират структурните детайли на промишлен апарат и да се изследва макрокинетиката на процеса - динамиката на флуидните, газовите и топлинните потоци. На този етап от пилотния биореактор се избира типът апарат, който след това се използва в индустриален мащаб. Прилагането на биотехнологичен процес в индустриален мащаб изисква значителни капиталови инвестиции и текущи разходи; персоналът по поддръжката трябва да участва в работата, така че първо трябва да се уверите, че процесът ще „върви“ не само в лабораторни устройства, но и след мащабен преход към големи инсталации. Създава се умален модел чрез преминаване от лабораторни биореактори към пилотни.
За улесняване на проектирането на пилотни биореактори и за тестване на техните различни опции са създадени специални комплекти от стандартни унифицирани части, които могат да се свързват и сглобяват в различни комбинации. Преходът към унифициране на детайлите на пилотните и индустриалните биореактори е важна тенденция в съвременната биотехнология.
На етаппромишлен реактор, кинетичните и стехиометричните характеристики, получени на лабораторен апарат, се синтезират с хидродинамичните, масови и топлопреносни модели на процеса, идентифициран на пилотен биореактор. При мащабиране параметрите на процеса не могат да останат непроменени. Най-важното е, че при една и съща среда за култивиране и дизайн на апарата, при същите температури, pH и скорост на разбъркване, нивото и скоростта на синтез на целевия продукт може да варира значително.
В лабораторните биореактори, особено в така наречените "мини" устройства (по-малко от 1 l), процесът може да продължи изобщобез смесване. С увеличаване на обема на биореактора, дори при интензивно разбъркване, в апарата се появяват зони на хетерогенност, недостатъчна аерация, характеристиките на масовия трансфер се различават в зоните на реактора. Промишленият биореактор може да бъде оприличен на лабораторна инсталация, състояща се от два комуникиращи реактора с малък обем, от които само единият е смесен и аериран, а другият съответства на зона на слабо смесване и аерация. Важно е да се подчертае, че ако се направи точно мини копие на промишлен дизайн, то такъв лабораторен реактор ще се характеризира с висока равномерност на средата и аерация. Този пример показва, че за да се запазят параметрите на процеса при промяна на обема на апарата, често е необходимо да се промени неговия дизайн, да се жертват второстепенни характеристики, за да се запазят основните.
Лабораторните, пилотните и индустриалните биореактори се различават по условията на топлообмен. Влабораторен апаратедин от основните "генератори на топлина" е механична бъркалка, приносът на метаболитните процеси за нагряване на средата е незначителен. Когато температурната разлика между средата и охлаждащата течност е около 5°, топлообменната риза по цялата височина на реактора е достатъчна за ефективен топлопренос. Може да го поставите и на водна баня.
Впилотния биореакторсъотношението между повърхността и обема на апарата е намалено, което затруднява преноса на топлина през стените на апарата. С преминаването към промишлен реактор това съотношение намалява още повече, така че външната топлообменна риза често е недостатъчна за ефективно отвеждане на топлината и трябва да се въведат вътрешни топлообменни елементи. С увеличаването на обема на апарата производството на топлина рязко се увеличава по време на диспергирането на газ в течност.Това се обяснява с увеличаване надебелината на течния слой, през който газовите мехурчета преминават по пътя си от аератора към повърхността на култивационната среда.
От всичко казано по-горе става ясно, че при преминаване от лабораторен биореактор към пилотен и след това към промишлен е необходимо, заедно с обема, да се промени дизайнът и режимът на работа на апарата. Сложен и дискусионен проблем е кои характеристики на процеса, които пряко определят неговия успех, трябва да бъдат запазени? Така че, наред със сложните параметри, чийто математически израз включва комбинация от редица характеристики на процеса и оборудването, се препоръчва да се запази непроменен обемният коефициент на пренос на кислородна маса. Това съотношение обаче не е надеждна мярка за успеха на мащабирането, например за пеницилинов процес. Не по-малко труден е изборът на критерии за оценка на хидродинамичния режим, топлообмена и обезпенването.
Също така отбелязваме, че когато образуването на котлен камък се увеличи и стане сериозен проблем, увличането на струята е увличането на капчици от средата, които са преминали през апарата и са се образували по време на разрушаването на мехурчетата пяна от пеногасителите.
Така лабораторните, пилотните и индустриалните устройства служат като основните етапи на мащабен преход. Централният проблем тук е изборът на надеждни критерии за мащабиране с цел високоефективен и икономичен биосинтез на целевия продукт в индустриални условия.
Биотехнология в 8 тома./ Ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д. – М.: Висш.шк. – 1988 г.
Биотехнология: принципи и приложения / Изд. Хигинс И., Бест Д., Джоунс Дж. - М.: Мир. – 1988 г.
Елинов Н.П. Основи на биотехнологиите. Санкт Петербург: ИФ наук. – 1995 г.
Малка медицинска енциклопедия: В 6 тома / Изд. Покровски В.И. – М.: Съветска енциклопедия. - Т.1. - 1991. - 560 с.
Селскостопанска биотехнология: учеб. / Ед. СРЕЩУ. Шевелухи. - М .: Висше. училище - 1988. - 416s.
Сасон А. Биотехнология: постижения и надежди./ Пер. от английски. Мехедова С.Л., Миркина С.М. – М.: Мир. - 1987. - 410s.
Лекционен материал по биотехнология.
Методи за регулиране на биосинтезата на биологично активни вещества в промишленото производство.
2. Механизми на вътреклетъчна регулация и биосинтеза на таргетните биологични продукти.
Характеристики на избора на ферментатори за осъществяване на промишлени биотехнологични процеси.
Механизмът на регулиране на първичните микробни метаболити.
5. Механизъм на регулиране на биосинтезата на вторични микробни метаболити.