Устройство ферментера и его использование в биотехнологии.
Ферментеры, или биореакторы, представляют собой камеры, в которых в жидкой или на твердой среде выращивают микроорганизмы. Процесс, происходящий в ферментере, называется ферментацией. Термин ферментация первоначально применялся только к анаэробным процессам, однако сейчас он используется более широко и включает все процессы, как аэробные, так и анаэробные. На рис.
12.16 изображен типичный ферментер. Это довольно сложное техническое сооружение, поэтому необходимо потратить некоторое время для изучения его устройства. Не забывайте также о проблемах, возникающих при расширении масштабов производства, которые были перечислены в предыдущем разделе. Содержимое ферментеров во время работы, как правило, тем или иным способом перемешивается. Например, при производстве белка одноклеточных прутина компанией IC1 перемешивание достигается с помощью воздуха, подаваемого с высокой скоростью со дна сосуда.
Продуктом являются либо сами клетки (биомасса), либо какой-то полезный клеточный метаболит. Все операции должны проводиться в стерильных условиях, чтобы избежать загрязнения культуры. Кроме того, необходимо обеспечить возможность поддержания в стерильном состоянии всех вводных и выводных отверстий ферментера.
IC2➜Гайд #13➜Ферментер и Биогаз
Ферментер и среду стерилизуют перед использованием вместе или раздельно. Исходные культуры организма, который должен использоваться в процессе ферментации, хранят в неактивной форме (например, в замороженном состоянии). Пробу активируют, наращивают в достаточном объеме с использованием асептических методов (наращивание) и затем добавляют в ферментер (инокуляция). В ферментере организм растет и размножается, используя питательную среду.
Обычно ферментер изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов. Все используемое оборудование, материалы и воздух должны быть стерильными. Оборудование стерилизуют паром под давлением.
Пар должен иметь доступ ко всем поверхностям, которые в свою очередь должны быть гладкими и отполированными, насколько это возможно, и не иметь трещин и неровностей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Среду стерилизуют перед инокуляцией, пропуская пар через систему охлаждения. Воздух стерилизуют путем фильтрации.
Из соображений безопасности воздух, который выходит из ферментера, тоже нужно стерилизовать, хотя бы для того, чтобы избежать распространения микроорганизмов, сконструированных методами генной инженерии. Если микроорганизмы будут постоянно попадать в воздух — экологическая катастрофа будет страшнее, нежели если все единовременно заведут свои автомобили б.у. и не будут выключать их в течение года. Поэтому ферментеры в обязательном порядке необходимо подвергать чистке.
Ферментер и создание биогаза в майнкрафт 1.7.10 — IC2 Experimental v2.2.654
Существуют два основных типа ферментации, периодическая ферментация (или закрытая система) и непрерывное культинирование (или открытая система). При периодической ферментации, все необходимые ингредиенты вносятся до начала процесса; в ходе культивирования питательные вещества не добавляются и параметры ферментации не меняются. Именно поэтому процесс называется закрытой системой. Когда образуется достаточное количество продукта, процесс останавливают. Затем содержимое ферментера выгружают, выделяют продукт, выбрасывают использованные микроорганизмы, чистят ферментер и загружают его для нового культивирования.
Непрерывное культивирование представляет собой продолжительную, долговременную операцию, занимающую много недель, в ходе которой питательные вещества добавляют в среду по мере их расходования, а излишек культуры отбирают. Несмотря на то, что такая ситуация наиболее близка к естественным условиям, таким, например, как в кишечнике, непрерывное культивирование имеет ограниченное применение. К примеру, компания 1CI использовала этот подход для производства белка одноклеточных прутина (pruteeri) из бактерии Methylophilus methylotrophus (разд. 12.12.3). Ферментер работал непрерывно в течение 100 дней и производительность достигала 150 тонн вдень.
Непрерывное культивирование пока не находит широкого применения, однако в настоящее время все более популярным становится периодическое культивирование с добавлением субстрата, которое представляет собой компромисс между двумя системами. Использование периодического культивирования с добавлением субстрата делает процесс более контролируемым по сравнению с периодическим культивированием.
Период роста удлиняется за счет того, что питательные вещества добавляются в низких концентрациях в процессе ферментации, а не вносятся все сразу в начале процесса. Одним из преимуществ метода является возможность регулирования скорости роста, которую можно соизмерять со скоростью подачи кислорода. Этот процесс обычно используется в производстве дрожжевых клеток для пекарной промышленности. Если к дрожжевым клеткам добавляют слишком много сахара, они начинают дышать анаэробно и образуют вместо биомассы спирт. Периодическое культивирование с добавлением субстрата используется также в производстве пенициллина.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Источник: meduniver.com
Что такое ферментер?
Ферментер – специальная емкость, предназначенная для обеспечения условий развития микроорганизмов.
Работа емкости предполагает соблюдение определенных требований, обеспечивающих необходимую скорость роста микроорганизмов:
- обеспечение необходимых климатических факторов;
- поддержание необходимого давления;
- обязательное регулярное перемешивание массы с необходимой скоростью;
- возможность отвода образующихся газов (сернистый/углекислый).
Ферментер (биореактор) предназначен для того, чтобы решать следующие задачи:
- выращивание микроорганизмов и различных клеток (культур, растений), фотосентизирующих бактерий, мха, микроводорослей;
- проведение исследований для нужд науки и промышленности;
- изучение и оптимизация процессов ферментации.
Ферментер — основная часть биогазовой установки, которая представляет из себя комплекс технических сооружений и аппаратов, объединенных в единый технологический цикл. Она вырабатывает биогаз, который является экологически чистым топливом.
Cбраживания сырья
Конструкция ферментера во многом зависит от того, какая технология сбраживания сырья предусмотрена в биогазовой станции (сухая или влажная):
- сбраживание с полным перемешиванием;
- сбраживание с продольным перемешиванием;
- периодический процесс сбраживания.
Существуют и установки, сочетающие в себе сразу несколько процессов.
Ферментер с технологией полного перемешивания
Как показывают исследования, именно на такую технологию рассчитаны более 90% метатанков, использующихся сегодня в мире биогазовых установок. Такой ферментер имеет цилиндрическую форму, расположенную на бетонном фундаменте со стенками, выполненными из стали или железобетона. Крыша ферментера выполняется из герметичного материала. Такая конструкция предполагает изготовление емкости большого объема (более 6000 куб. м.), а также возможность использования любого вида исходного сырья. Биореактор с полным перемешиванием обычно используется для переработки влажных масс.
Ферментер с технологией продольного перемешивания
Использование продольного перемешивания сильно ограничивает габариты биореактора. Эффективность продольного смешивания достигается в случае, если ферментер имеет объем до 800 куб. м. (для горизонтального исполнения) и до 2500 кв. м. (для вертикального исполнения). Такие емкости обычно выполняются из стали. Кроме того, ферментер горизонтального типа может одновременно выступать в качестве модуля первичной ферментации крупных биогазовых установок. Метатанк с продольным перемешиванием может использоваться как для сухого сбраживания, так и для влажного.
Ферментер биогазовой станции с технологией периодической ферментации
Такая технология предусматривает наличие в биоустановке сразу нескольких герметичных метатанков, которые соединяются параллельно. Каждый блок заполняется биомассой в отдельном режиме. Подобное технологическое решение может быть реализовано как на базе мобильных систем контейнерного типа, так и на базе стационарного стального или железобетонного ферментера. Такая биоустановка отлично подходит для проведения сухой ферментации.
Технология микробиологичеcких процессов
Протекающие внутри ферментера микробиологические процессы можно классифицировать следующим образом:
- анаэробный или аэробный;
- поверхностный или глубинный;
- периодический или непрерывный.
Наиболее распространенным в промышленной сфере является процесс глубинного развития микроорганизмов, происходящий в питательной среде жидкой консистенции. Отличительная особенность, позволяющая выделить этот процесс среди прочих – наличие нескольких этапов, итогом которых является преобразование следующего типа: «газ – жидкость – твердое тело». В качестве твердого тела (клеток) может выступать какое-либо нерастворимое в жидкости вещество (например, н-парафин или что-то подобное).
Обязательная составляющая процесса культивирования микроорганизмов – выделение тепла. Это происходит даже в тех случаях, когда процесс осуществляется в лабораторных условиях. Конечно в лабораторных условиях, где используются небольшие емкости, получить большое количество тепла невозможно. Однако при использовании ферментеров больших емкостей возможно получить достаточно большой объем выделяемого тепла.
Важная часть процесса культивации лабораторного или промышленного масштаба –поддержание постоянной температуры всей массы вещества на протяжении всего процесса реакции.
Устройство ферментера
В зависимости от количества перерабатываемой исходной массы биореакторы делятся на два типа: лабораторные и промышленные.
Лабораторные ферментеры используются в различных лабораториях для культивирования микроорганизмов, разведения ферментов, грибов, культур в небольших масштабах. Как правило, в данном случае осуществляется воспроизведение образцов для целей их изучения.
Устройство ферментера лабораторного типа достаточно простое – блок обеспечения и непосредственно емкость биореактора (одна или несколько).
Задача блока обеспечения – поддержание параметров, необходимых для развития микроорганизмов. В его состав входят:
- насосное оборудование (для отвода углекислого газа, перекачки воздуха);
- оборудование для поддержания параметров процесса (датчики температуры, давления и т.п.).
Ферментеры промышленные. Основная сфера применения – фармацевтическая и микробиологическая промышленность. Как правило, используются для выращивания дрожжей, грибов и бактерий, синтезирования антибиотиков, белков, биоактивных веществ и иных веществ.
В таких устройствах блоки контроля представлены в виде сложных системных модулей, как правило, интегрированных в биореакторы. Они регулируются в автоматическом режиме посредством использования специального программного обеспечения.
Ферментеры промышленного типа могут иметь емкость до 20 000 литров и использоваться для производства товаров в больших масштабах. Работа с таким объемом веществ требует полного контроля происходящих процессов на каждом этапе. Поэтому работа промышленного биореактора предполагает выполнение всех операций полностью в автоматическом режиме. Благодаря работе автоматики, оптимизируются эксплуатационные затраты и повышается качество и количество синтезируемого продукта.
Перемешивания биомассы
Важным условиям для нормального прохождения сбраживания сырья является его перемешивание. Это позволяет повысить однородность биомассы и исключить образование корки, а также обеспечить одинаковое развитие в ней микроорганизмов, способствующих разложению и выделению биогаза. Помимо этого, перемешивание позволяет распределить тепло по всей биомассе, обеспечивая ее равномерный прогрев.
Существуют следующие способы перемешивания биомассы:
- механическое;
- гидравлическое;
- пневматическое.
Механическое предполагает использование осевой мешалки, мешалки с наклонной осью или погружной мешалки.
Гидравлическое перемешивание осуществляются путем подачи биомассы через насосы и форсунки, в результате чего сами потоки сырья обеспечивают перемешивание. Недостатком такого типа перемешивания является то, что он может использоваться исключительно в установках, рассчитанных на жидкое ферментирование, поскольку не позволяет исключить образования тонких плавающих слоев сырья.
Пневматическое перемешивание осуществляется путем добавления пузырьков биогаза непосредственно в емкость с биомассой. Однако такой вариант также не обеспечивает полной однородности массы и, кроме того, на поверхности нередко образуются застывшие корки и плавающие слои.
Подогрев биомассы
Поддержание необходимой для протекания процессов разложения температуры возможно только при условии постоянного подогрева биомассы и наличия надежного контура теплоизоляции ферментатора. Процесс разложения может протекать и без внешнего подогрева, однако в этом случае он займет несколько месяцев, а выход конечного продукта будет не таким эффективным. Поэтому обогрев биомассы со стороны – важная часть эффективного течения процессов как при сухой, так и при влажной ферментации.
Теплоизоляция обеспечивает постоянное сохранение тепла внутри биореактора на уровне, необходимом для жизнедеятельности микроорганизмов и оптимального течения процессов брожения. Теплоизоляционный слой обычно выполняется из пеностекла или утеплителей на основе минеральных волокон.
Стоимость
Стоимость оборудования достаточно высока и зависит в первую очередь от функциональности системного блока и объемов емкости.
Стоит обратить внимание на ферментеры производства компании BioRus. Их основные преимущества:
- компактные размеры;
- эргономичность;
- возможность подключения сразу нескольких емкостей, которые будут функционировать под общим управлением;
- понятная система настройки;
- возможность использования нескольких съемных емкостей;
- возможность подключения дополнительного оборудования (например, специализированного ротор-фильтра, который позволяет осуществлять выращивание клеток с использованием режима перфузии);
- возможность объединения в единую систему до четырех ферментаторов различных объемов, которая будет управляться с одного компьютера, иметь один источник питания (газ, вода, электроэнергия), но при этом сохранять возможность индивидуальной настройки каждого из подключенных биореакторов.
В комплекте с биореактором поставляются специализированные программные продукты на основе SCADA, что позволяет визуализировать получаемые данные, настраивать сигнальные точки, экспортировать полученные результаты.
Источник: biogas.su
Ферментеры
Борьба с распространением микробных инфекций, лечение известных и вновь возникающих заболеваний заставляют современных ученых фармакологов изобретать и внедрять в производство все новые и новые лекарственные препараты. Для испытаний и проверки свойств этих лекарственных веществ необходимо наличие бактериальной флоры. Ее необходимо выращивать, каждую культуру изолированно при соблюдении специальных условий и режимов, позволяющих ее клеткам полноценно жить, расти и размножаться.
За время существования фармакологии как науки и отрасли промышленности было разработано и испытано немало устройств и аппаратов для искусственного выращивания бактериальных культур. Но сегодня актуальными остались две основные группы аппаратов.
Первая характеризуется наличием функции подачи стерильного воздуха, для выращивания аэробных культур микроорганизмов. Вторые – с отсутствием такой функции, предназначенные для выращивания анаэробных культур. Независимо от наличия или отсутствия функции подачи воздуха эти аппараты носят название ферментеров или ферментаторов.
 |
 |
Сегодня ферментеры используются не только для производства бактериальных субстанций в микробиологической отрасли промышленности, но и при проведении различных процессов в жидких средах с динамической вязкостью до 7 ПахС ( 70 Пз ) и плотностью до 2 000 кг/ м3.
К техническим особенностям ферментеров можно отнести: их герметичность, наличие рубашек охлаждения и нагрева. Внутренняя часть изготовлена из нержавеющей медицинской стали с применением молибдена подвергается тщательной полировке. Оснащаются пультом управления с возможностью подключения к промышленному компьютеру. Возможность регулировки давления внутри сосуда и в рубашке охлаждения-нагрева. Наличие перемешивающего устройства с определением отношения его диаметра и длины лопасти для каждого аппарата индивидуально.
Сегодня в фармацевтической промышленности наибольшее распространение получил ферментер, оборудованный самовсасывающим перемешивающим устройством, обладающий способностью непрерывного действия. Конструктивно он представляет собой цилиндрический, вертикально ориентированный аппарата, снабженный устройствами циркуляционного теплообменного и аэрирующего действия. Циркуляционные устройства представляют собой систему направляющих диффузоров, используемых для разграничения восходящего и нисходящего потоков.
Не менее широко применяется специфический аппарат с функцией аэролифта. В приборе этого типа не предусмотрено механическое перемешивающее устройство, что позволяет поддерживать среду в асептических условиях. Для проведения процесса аэрации материала, стерильный воздух подается по вертикально расположенной трубе.
Используемый для насыщения воздухом питательной среды аэратор располагается в нижней части устройства. Благодаря этому обеспечивается движение воздуха по вихревому типу. Газожидкостная смесь, передвигаясь по диффузору вверх, переливается через верхние края, что и дает возможность перемешивания.
Здесь же одновременно более плотная среда опускается в кольцевое пространство между корпусом ферментера и диффузором. Так происходит непрерывная многократная циркуляция среды. Наличие в данной конструкции змеевика позволяет отводить образующееся биологическое тепло.
Ферментер является многофункциональным современным аппаратом. Без него невозможно апробирование и создание новых лекарственных средств, применяемых в борьбе с заболеваниями, вызванными патогенными микроорганизмами.
Источник: agro-molmash.ru