2.3 Лабораторні, пілотні та промислові біореактори: проблеми масштабування.
Технологія виробничого процесу відпрацьовується поетапно: у лабораторних, пілотних (дослідно-промислових) та промислових установках. Найчастіше зустрічаються такі обсяги апаратів: 0,5 – 100 л для лабораторних, 100 л – 5 м 3 для пілотних та 5 – 1000 м 3 і більше для промислових біореакторів. На кожному з етапів нарощування масштабу біотехнологічного процесу – масштабного переходу, масштабування процесу – налагоджуються свої завдання налагодження виробництва та його оптимізації.
Лабораторні апаратинагадують промислові за формою та влаштуванням систем аерації та перемішування. Вони поділяються на ті ж типи, що й промислові біореактори. Щоправда, найчастіше в лабораторних масштабах використовуються апарати з механічним перемішуванням та барботажем. Тип лабораторного біореактора не обов'язково відповідає типу проектованого промислового апарату для того самого процесу. Для успіху масштабування важливим є не збереження принципу конструкції, а відповідність найважливіших характеристик процесу.
Відносно низькі витрати на встановлення та експлуатацію дозволяють широко застосовувати лабораторні біореактори для вирішення наступних завдань:
кінетичних- вимірюють швидкість росту клітин, утилізації субстратів та утворення цільового продукту;
массобменних– розраховують коефіцієнти масопередачі, швидкість надходження у середовище кисню та інших газів, швидкість звільнення середовища від газоподібних продуктів життєдіяльності;
стехіометричних– встановлюють коефіцієнти в брутто-рівняннях хімічних реакцій, що пов'язують спожиті субстрати та кисень з одержуваними цільовими та побічними продуктами.
Дослідно-промислові біореакторипозначають також якпілотні,що підкреслює характеррозробки – піонерський, пошуковий, «що вказує шлях». На цьому етапі масштабування загалом, можливо, дублювати конструкційні деталі промислового апарату та дослідити макрокінетику процесу – динаміку потоків рідини, газу, теплоти. На цьому етапі пілотного біореактора вибирають тип апарату, який далі застосовують у промисловому масштабі. Реалізація біотехнологічного процесу у промислових масштабах потребує значних капіталовкладень та поточних витрат; до роботи необхідно залучити обслуговуючий персонал, тому попередньо слід переконатися, що процес «піде» не тільки в лабораторних апаратах, а й після масштабного переходу до великих установок. Масштабна модель створюється шляхом переходу від лабораторних біореакторів до пілотних.
Щоб полегшити конструювання пілотних біореакторів та апробувати їх різні варіанти, створюють спеціальні набори стандартних уніфікованих деталей, які можна з'єднувати та компонувати у різних поєднаннях. Перехід до уніфікації деталей пілотних та промислових біореакторів є важливою тенденцією сучасної біотехнології.
На етапіпромислового реакторавиробляють синтез кінетичних і стехіометричних характеристик, отриманих на лабораторному апараті, з гідродинамічних, масо-і теплообмінних закономірностей процесу, виявленими на пілотному біореакторі. При масштабуванні параметри процесу неможливо зберегти у незмінному вигляді. Найбільш істотно те, що при одному і тому ж середовищі культивування і конструкції апарату, при температурах, що збігаються, рН і швидкості перемішування рівень і швидкість синтезу цільового продукту можуть істотно різнитися.
У лабораторних біореакторах, особливо в так званих "міні"-апаратах (менше 1 л), процес може протікати взагалібез перемішування. У міру збільшення обсягу біореактора навіть при інтенсивному перемішуванні в апараті з'являються неоднорідності, недостатньої аерації, масобмінні характеристики розрізняються по зонах реактора. Промисловий біореактор можна уподібнити лабораторній установці, що складається з двох сполучених реакторів малого обсягу, з яких перемішується і аерується тільки один, а інший відповідає зоні слабкого перемішування та аерації. Важливо підкреслити, що якщо виготовити точну мінікопію промислової конструкції, то такий лабораторний реактор буде характеризуватись високою однорідністю середовища та аерації. Цей приклад показує, що для збереження параметрів процесу при зміні об'єму апарату нерідко потрібно змінювати його конструкцію, жертвувати другорядними характеристиками для збереження основних.
Лабораторні, пілотні та промислові біореактори різняться за умовами теплообміну. Улабораторних апаратаходним з основних «генераторів теплоти» служить механічна мішалка, внесок метаболічних процесів у розігрів середовища незначний. При різниці температур між середовищем та охолоджуючим агентом близько 5° для ефективного теплообміну достатньо теплообмінної сорочки по всій висоті реактора. Можна також помістити його у водяну лазню.
Упілотному біореакторіспіввідношення між поверхнею та об'ємом апарату знижується, що ускладнює теплообмін через стінки апарату. При переході до промислового реактора це співвідношення зменшується ще більше, тому зовнішньої теплообмінної сорочки часто виявляється недостатньо для ефективного відведення теплоти, доводиться вводити внутрішні теплообмінні елементи. У міру збільшення об'єму апарату різко зростає теплопродукція під час диспергування газу в рідині. Це пояснюється збільшеннямтовщини шару рідини, через який проходять бульбашки газу по дорозі від аератора до поверхні середовища культивування.
З усього сказаного вище ясно, що при переході від лабораторного біореактора до пілотного і далі промислового необхідно поряд з обсягом змінювати конструкцію і режим роботи апарату. Складна і дискусійна проблема – які характеристики процесу, які безпосередньо визначають його успіх, необхідно зберегти? Так, поряд зі складними параметрами, математичне вираження яких включає поєднання ряду характеристик процесу та обладнання, рекомендують зберегти незмінним об'ємний коефіцієнт масопередачі кисню. Однак цей коефіцієнт - ненадійний критерій успіху масштабування, наприклад, для отримання пеніциліну. Не менш складним є вибір критеріїв оцінки гідродинамічного режиму, теплообміну, піногасіння.
Зазначимо також, що при масштабуванні зростає і стає серйозною проблемою бризгоунос - віднесення потоком газу, що пройшов через апарат газу, крапель середовища, що утворюються при руйнуванні пінних бульбашок піногасітелями.
Основними етапами масштабного переходу є, таким чином, лабораторні, пілотні та промислові апарати. Центральною проблемою тут є вибір надійних критеріїв масштабування з метою високоефективного та економічного біосинтезу цільового продукту у промислових умовах.
Біотехнологія у 8-ми томах. / За ред. Єгорова Н.С., Самуїлова В.Д. - М.: Вищ.шк. - 1988.
Біотехнологія: принципи та застосування. / За ред. Хіггінса І., Беста Д., Джонса Дж. - М.: Світ. - 1988.
Єлінов Н.П. Основи біотехнології. СПб.: ІФ Наук. - 1995.
Мала медична енциклопедія: У 6-ти томах / За ред. Покровського В.І. - М.: Радянська енциклопедія. - Т.1. - 1991. - 560 с.
Сільськогосподарська біотехнологія: Навч. / За ред. В.С. Ворухи. - М.: Вищ. шк. - 1988. - 416с.
Сассон А. Біотехнологія: звершення та надії. / Пер. з англ. Мехедова С.Л., Міркіна С.М. - М.: Світ. - 1987. - 410с.
Лекційний матеріал з біотехнології.
Методи регулювання біосинтезу біологічно активних речовин в умовах промислового виробництва.
2. Механізми внутрішньоклітинної регуляції та біосинтез цільових біологічних продуктів.
Особливості підбору ферментерів для реалізації промислових біотехнологічних процесів.
Механізм регуляції первинних мікробних метаболітів.
5. Механізм регуляції біосинтезу вторинних мікробних метаболітів.