активные вещества, которые, внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногасителями служат растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное) масла, животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при их утилизации микробными клетками сами по себе способствуют пенообразованию.
Механические пеногасители представляют собой различные устройства, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое. Все эти устройства, конечно же, приводят к дополнительным затратам и удорожают производство.
Система стерилизации
Устройства и режим стерилизации определяется конструкцией биореактора, вспомогательного оборудования, используемых питательных сред и т. п. Наибольшее значение имеют термический метод стерилизации оборудования и сред и фильтрационный способ, применяемый для удаления микроорганизмов из подаваемого в ферменторы воздуха или другого газа.
Режимы термальных способов стерилизации определяются химическим составом питательных сред. При этом определяющим является состояние компонентов среды после стерилизации; главное сохранность ее питательных качеств.
Проблемы масштабирования ферментационных процессов
Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000
л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.
Лабораторные ферменторы по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем
41
теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок.
С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:
1)кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность утилизации субстратов и образования целевого продукта;
2)некоторые массообменные – расчет коэффициентов
массопередачи, скорость поступления в среду О2 и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);
3)определение коэффициентов реакций, связывающих
утилизируемые субстраты и О2 с получаемыми целевым и побочными продуктами.
Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов. При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.
Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.
Специализированные ферментационные процессы
Большинство ферментационных технологий связано с жидкими аэрируемыми системами, однако в настоящее время достаточно широко
42
используются ферментационные технологии, основанные на утилизации плотных субстратов, при отсутствии воды или малом ее количестве, а также в безкислородных условиях.
Анаэробные процессы
Биореакторы для таких процессов лишены приспособлении для аэрирования среды, хотя некоторые из анаэробных процессов сопровождаются потреблением газообразных продуктов водорода, метана, поэтому требуют соответствующих приспособлений для подачи газов в жидкую среду. Ведущим моментом является обеспечение анаэробиоза, что сопряжено со значительными сложностями.
Твердофазные процессы.
Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она лишь используется для увлажнения твердой поверхности или воздуха (газа). В зависимости от превалирующей фазы процессы и соответствующие им аппараты подразделяются на твердофазные и газофазные.
Твердофазные осуществляются, как правило, на основе растительного сырья и используют чаще всего мицелиальные грибы и дрожжи или их комбинации. Различают три типа твердофазных процессов:
•Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3–7 см ("тонкий слой"). В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры.
•Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое ("высокий слой"). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен.
•Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе). Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием.
43
Интерес к твердофазным процессам обусловлен их некоторыми преимуществами по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе:
1)они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации;
2)характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта;
3)низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой;
4)твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод.
Однако и здесь существуют свои проблемы. Вследствие отсутствия хорошего перемешивания продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату; при этом возникает локальная недостача питательных веществ, тогда как часть субстрата вообще не используется (не колонизируется) продуцентом; недостаточно эффективный контроль за аэрацией и др.
Газофазные процессы
Процессы этого типа осуществляются в аппаратах с твердым наполнителем, через который пропускают газ. В таких аппаратах получают, например, спирт на основе дрожжей, а также их биомассу, мелкие агрегаты дрожжевых клеток, предварительно увлажненные концентрированной питательной средой, "парят" в потоке газа, подаваемого под сильным давлением через сопло в днище реактора. Газ, покидающий аппарат, несет с собой летучие продукты жизнедеятельности дрожжей (в том числе и спирт), которые конденсируются в холодильнике.
Процесс может осуществляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях (в зависимости от используемого газа).
Технология выращивания культур животных и растительных клеток
Массовое культивирование организмов для биотехнологических целей достаточно хорошо разработано применительно к бактериям, дрожжам и мицелиальным грибам, и лишь сравнительно недавно начались интенсивные исследования в области выращивания культур клеток животных и растений. С помощью техники культивирования растительных клеток во многих странах с успехом готовится посевной
44
материал для размножения определенных растений. Стимулом для совершенствования методов культивирования растительных клеток явились работы по изучению органогенеза и амплификация проростков с последующим высевом их в грунт. Однако крупномасштабное выращивание суспендированных культур клеток многих видов растений уже разработано и используется для получения продуктов, типичных продуктам цельных растений: например, производство никотина, алкалоидов и женьшеня. Считается перспективным производство таких дорогостоящих препаратов, как дигиталиса (наперстянки), жасмина, мяты, кодеина и т. п. Ферментационные методы, применяемые при культивировании растительных клеток в жидкой перемешивающейся среде, во многом заимствованы из микробиологической техники. Правда, культуры растительных клеток растут намного медленнее, нежели бактериальные, хотя большинство других характеристик довольно близкие. И хотя некоторые продукты растительной биотехнологии уже появились на рынке, специалисты полагают, что в коммерческом отношении процессы такого рода вряд ли будут привлекательными на протяжении многих лет.
Тем не менее, потенциально очень важные органические соединения синтезируются только растительными или животными клетками, что заставляет изыскивать подходы в решении возникающих проблем, не обращая существенного внимания на стоимость этих технологий.
Клетки животных способны расти либо в виде суспензий, либо прикрепленными к плотному субстрату (твердой поверхности). Такие клетки как, HeLa (клетки, происходящие из опухоли человека) могут расти в любом из этих состояний; лимфобластомные клетки растут в суспендированных культурах; а нормальные диплоидные клетки способны расти только будучи прикрепленными к твердой поверхности. Монослойное культивирование животных клеток во многом определяется доступностью поверхности для их прикрепления, вследствие чего многие конструкторские разработки направлены на создание методов увеличении возможной площади прикрепления. Ранние технологии основывались преимущественно на использовании вращающихся пробирок или флаконов с целью лучшего обеспечения растущих клеток питательными веществами и воздухом.
Создаваемые в последнее время системы предназначаются для поддержания роста клеток на свернутых в виде "бухт" проницаемых для газов тефлоновых трубочках, каждая из которых имеет поверхность около 10 000 см2 (а общее их число в реакторе более 20). В таких условиях
45