Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Октября 2013 в 13:39, лекция
Как уже отмечалось, имеется целый ряд преимуществ производства органических продуктов биотехнологическими способами перед чисто химическими методами:
Многие сложные органические молекулы, такие, как белки и антибиотики, не могут практически быть синтезированы химическими способами;
Биоконверсия обеспечивает значительно больший выход целевого продукта;
Биологические системы функционируют при более низких температурах, менее высоких значениях рН (близких к нейтральному) и т. п.;
Каталитические биологические реакции намного специфичнее, чем реакции химического катализа;
Биологические процессы обеспечивают почти исключительно продукцию чистых изомеров одного типа, а не их смесей, как это часто бывает в реакциях химического синтеза.
Наиболее универсальна и чаще всего применяется на практике классификация ферментеров по способу ввода энергии в аппарат (по способу осуществления процессов аэрирования и перемешивания):
1.- с газовай фазой;
2.- с жидкой фазой;
3.- с газовой
и жидкой фазой (
Для аэробных процессов аэрирование и перемешивание является, безусловно, важнейшей процедурой. Поскольку транспорт кислорода через клеточные мембраны осуществляется по диффузионному механизму, то это предполагает наличие более высокой концентрации кислорода в культуральной жидкости (вне клетки). Сложность достижения необходимого уровня аэрирования (насыщения культуральной жидкости кислородом) заключается в низкой растворимости кислорода в воде. При этом многие компоненты культуральной среды дополнительно снижают растворимость кислорода. Все это не позволяет использовать клеточные культуры с высокой плотностью (концентрацией), что в свою очередь снижает выход целевого продукта с единицы объема аппарата.
Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ).
Общим признаком этих аппаратов является ввод энергии газовой фазой, которая является ее носителем и за счет которой осуществляется процесс перемешивания. Эта группа ферментеров характеризуется, прежде всего, простотой конструктивного исполнения и высокой эксплуатационной надежностью в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей. В простейшем виде такой ферментер представляет собой сосуд в который через барботер подводится воздух или какая ни будь специальная газовая газовая смесь. Пузырьки, выходящие из барботера осуществляют процессы аэрирования, перемешивания и термостатирования в культуральной жидкости. Для улучшения процессов массо- и теплообмена используют различные конструктивные решения, направленные на прежде всего на более равномерное и быстрое распределение пузырьков воздуха по всему объему аппарата. Среди конструкций таких ферментеров наиболее распространены барботажные, барботажно-газлифтные, тарельчатые колонные, насадочные колонные и ряд других. Подвод или отвод (по необходимости) тепла в таких аппаратах осуществляется встроенными внутри аппарата теплообменниками различной конструкции.
Ферментеры с подводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ).
Обычно энергия в аппаратах этой группы передается жидкой фазе с помощью насоса. При этом подаваемая в ферментер жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор и т.д.). Различают в общем случае три типа конструкций таких аппаратов:
а) ферментеры эжекционные (ФЖЭ);
б) ферментеры струйные (ФЖС).
в) ферментеры с самовсасывающими мешалками (ФЖСМ);
В ферментерах эжекционного типа, работающих в режиме рециркуляции, подаваемая в ферментер культуральная жидкость проходит под давлением через специальное устройство называемое эжектором (инжектором), в котором происходит ее интенсивное перемешивание с воздухом и насыщение кислородом. Далее образовавшаяся газо-воздушная струя под большим давлением вводится в ферментер с боку, перемешивая содержимое и распределяя пузырьки воздуха по всему объему аппарата.
Недостатком аппаратов является необходимость применения специальных насосов для перекачивания газосодержащих культуральных жидкостей.
Струйные ферментеры конструктивно разделяются на два типа: с “затопленной” и “падающей” струей. В первом случае струя газо-жидкостной смеси вводится в культуральную жидкость сверху через погруженную в нее трубу, во втором - подается в нее под давлением с определенной высоты. Образование газожидкостной смеси, как и в случае эжекционных ферментеров, осуществляется при помощи эжектора, находящегося во внешнем циркуляционном контуре. Недостатки струйных ферментеров аналогичны недостаткам эжекционных.
В отличие от эжекционных и струйных, ферментеры с самовсасывающими мешалками являются довольно простыми аппаратами, так как не требуют специальных воздуходувных машин для подачи воздуха в аппарат. Поступление воздуха осуществляется за счет разрешения, возникающего за задней кромкой лопасти мешалки при ее движении в жидкости. В лопастях такой мешалки воздушные каналы, которые через полый вал соединяются с воздуховодом. Такие аппараты широко применялись в СССР при микробиологическом производстве кормового белка. К недостаткам этой схемы можно отнести трудность оптимизации и управления всей совокупностью массообменных и гидродинамических процессов в таком ферментере.
Ферментеры с подводом энергии жидкой и газовыми фазами (ФЖГ).
Основным конструктивным элементом таких аппаратов является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа, нераство-римых субстратов и гомогенизации среды. К этой группе аппаратов относятся такие ферментеры, у которых энергия к жидкой фазе подводится одновременно перемешивающим устройством и насосом или только насосом. Энергия с газовой фазой при этом вводится обычным способом (через барботер). Соответственно различают и два типа таких аппаратов.
а) Ферментеры с перемешивающими устройствами (ФЖГМ).
Перемешивающее устройство таких ферментеров выполняется в виде вала с установленными на нем одной или несколькими мешалками. Под нижней мешалкой у днища обычно расположен газораспределитель (барботер), который может быть как вращающимся, так и неподвижным. Внутри аппарата размещаются теплообменники.
б) Ферментеры комбинированные (ФЖКХ).
В аппаратах такого типа перемешивание осуществляется насосом или одновременно мешалкой и насосом. Воздух в аппарат при этом подается через барботер.
Важнейшим условием успешного протекания любого биотехнологи- ческого процесса является поддержание стерильности среды в ферментере и во всей ферментационной установке в целом.
Всю совокупность операций по подготовке оборудования и коммуникаций с целью создания в них асептических условий можно разделить на два важнейших процесса: стерилизация внутренних полостей и герметизация всех элементов и узлов. Первый процесс проводится в подготовительный период перед запуском оборудования (в ходе процесса ферментации осуществляются лишь профилактические мероприятия по стерилизации отдельных узлов вспомогательного оборудования). Второй процесс осуществляется и при подготовке, и при эксплуатации оборудования.
Наиболее распространенный метод стерилизации аппаратов и трубо- проводов - тепловая обработка перегретым выше 1000С насыщенным водяным паром. Этот метод надежнее, экономичнее и удобнее в производственных условиях, чем обработка химическими средствами.
При стерилизации важнейшим условием ее эффективности является возможность создания во всех точках внутренних полостей необходимой температуры и поддержания ее в течение заданного времени. В производственных условиях выполнение этого требования связано со значительными трудностями ввиду наличия в ферментере многочисленных тупиковых полостей, областей и зон в которые затруднен доступ пара (“слабые точки”). Наиболее трудно стерилизуемыми местами в аппаратах являются участки расположения теплообменников, барботеров, штуцера (места ввода трубопроводов, датчиков КИП), загрузочные люки, а в разводках трубопроводов - тупиковые места, которые образуются на ответвлениях и в местах присоединения к аппаратам.
Расчетным путем показано, что для достижения равной степени стери-лизации в перечисленных «слабых» точках и в основном обьеме аппарата продолжительность выдержки различается примерно в 100 раз, если принять температуру пара в них 100 С.
Наличие большого количества “слабых точек” обусловлено тем, что конструкционные решения большинства узлов промышленного ферментера часто заимствуются из химической технологии и поэтому они не соответствуют требованиям стерилизации.
Наиболее действенной мерой повышения эффективности стерилизации оборудования и коммуникаций является разработка оборудования с наименьшим числом таких «слабых» точек или принудительная подача пара в эти зоны через дополнительные термические затворы, специально встроенные в те участки ферментера, где наблюдается максимальная концентрация таких«слабых» точек. Так же такими термическими затворами должны быть снабжены и все трубопроводные линии аппаратов.
Химические методы стерилизации, несмотря на свою эффективность, применяются редко. Это связано с тем, что после окончания стерилизации необходимо удалить стерилизующий агент, а это достаточно трудно сделать и может привести к повторной контаминации. Наиболее удобно использование газообразных или легколетучих веществ (этиленоксид, β-пропиолактон), которые легко удалить продувая систему стерильным воздухом.
Второй процесс определяющий конструктивные особенности аппара-туры, - ее герметизация. Она решает две задачи - защиту внутреннего объема от посторонней микрофлоры и защиту окружающей среды от продуктов биосинтеза.
Проблема обеспечения герметичности обусловлена рядом причин: пара- метры проведения разных стадий технологического процесса резко различаются (например термическая стерилизация (1000С и выше) и культивирование (25-450С), сильная вибрация при работе перемешивающих устройств, перепад температуры в различных зонах установки, все это приводит к возникновению трещин и щелей в конструкциях и узлах аппаратуры.
Большинство случаев дегерметизации приходится на запорную арматуру, в которой наиболее опасные места - уплотнение седло-клапан и уплотнение штока, на фланцевые соединения, уплотнение валов и мешалок и места ввода датчиков КИП.
Одним из важных направлений повышения эффективности герметизации является переход на сварные соединения вместо фланцевых (соединение отдельных узлов за счет болтов), на сильфонные или мембранные вентили вместо обычных, на создание торцевых уплотнений для валов перемешивающих устройств с контролируемой герметичностью.
Для снижения риска попадания извне посторонней микрофлоры внутри ферментера создают небольшое избыточное давление.
В зависимости от требований предъявляемых к чистоте продукции (лекарственные, пищевые продукты) проводят работы по дезинфекции рабочих мест и целых производственных участков, очистке воздуха рабочих зон.
Обеспечение оптимальной температуры процесса культивирования является одной из самых сложных и ответственных технических проблем. На практике теплоотвод связан с большими капиталовложениями и необходимостью строительства сложных систем оборотного водоснабжения, теплообменных устройств в ферментерах, а иногда и дополнительных холодильных установок. Затраты на теплоотвод соизмеримы с затратами на обеспечение клеток кислородом (аэрирование, перемешивание) и поэтому они могут быть решающими при выборе конструкции ферментера.
Проблема обусловлена следующими причинами:
а) низким коэффициентом теплопередачи (малой теплопроводностью) клеточной стенки, и как следствие малоинтенсивной теплоотдачей со стороны микробной суспензии, а также с образованием отложений клеток на внешней стороне охлаждающих элементов. Малый коэффициент теплопередачи объясняется так же практически ламинарным обтеканиием вязкой микробной суспензией поверхности охлаждающих элементов;
б) небольшой величиной движущей силы теплопереноса, т.е. перепада температур между охлаждающей водой (в летнее время 26-28 С) и микробной суспензией (обычно 32-34 С);
в) необходимость отводить не только тепло, выделяющееся при жизне- деятельности микроорганизмов, но и все тепло, которое выделяется при работе перемешивающих устройств за счет трения слоев жидкости друг о друга и о стенки и внутренние узлы аппарата;
В зависимости от тепловой нагрузки для отвода тепла используют поверхность корпуса аппарата (тепловые рубашки) или встроенные внутрь аппарата теплообменники змеевикового типа. Наилучшим решением проблемы является использование выносных теплообменников (кожухотрубных, пластинчатых), располагаемых на внешних циркуляционных трубах, если такие имеются.
При использовании встроенных теплообменников очень важно правильно выбрать место их размещения, чтобы можно было обеспечить интенсивный циркуляционный поток жидкости. Всегда необходимо помнить, что встроенные теплообменники повышают вероятность инфицирования ферментеров (дополнительные “слабые” точки), ухудшают гидродинамический режим, уменьшают полезный объем, усложняют их промывку, стерилизацию и
ремонт.
Информация о работе Основы технологии, процессы и аппараты биотехнологических производств