Лабораторные биореакторы. Реферат Лабораторные биореакторы
 Скачать 281.3 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ” Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств РЕФЕРАТ «Лабораторные биореакторы» Выполнил: студент группы Т41452 Михеев Д.С. Проверила: д.т.н. Демченко В. А. Санкт-Петербург 2019 г. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….1 1. Общая характеристика биореакторов………………………..2 2. Классификация биореакторов…………………………………3 3. Лабораторные ферментаторы…………………………………3 4. Цели и задачи лабораторных биореакторов…………………5 Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии. Биореакторы (ферментеры) составляют основу биотехнологического производства. Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. Биореакторы - сложные технические устройства, обеспечивающие оптимальные условия для развития биологических объектов, в результате которого осуществляется биосинтез полезных соединений. В биореакторе происходит накопление биомассы и продуктов метаболизма. Применительно к ферментерам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м3, промышленные емкостью 10-100 м3 и более. При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции. Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии. В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты. 1. Общая характеристика биореакторов В одних микробиологических производствах целевым продуктом является биомасса (кормовой белок, бактериальные удобрения и т. п.), а в других - прочие продукты биосинтеза, в том числе метаболиты (ферменты, аминокислоты, антибиотики, витамины и т. п.). При этом синтезируемые продукты могут накапливаться как внутри клеток, так и выделяться ими в культурную среду. Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор - ферментер. Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта. Биореакторы изготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована. Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые - от 1 до 10 л, многотоннажные - более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств. В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия . Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена). В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологичеекого процесса. Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, ценообразование, рН, еН, рО2, рСО2среды). Тип биореактора, чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость, коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, тип перемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления, способ пеногашения, -- далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, в отдельности и во взаимосвязи, влияют на процесс культивирования микроорганизмов и клеток. 2. Классификация биореакторов
Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Обычно встречаются следующие объемы аппаратов: 1) для лабораторных – 0,5 – 100 л; 2) для пилотных – 100 л – 5 м3; 3) для промышленных биореакторов – 5 – 1000 м3и более. На каждом из этапов наращивания масштаба биотехнологического процесса (масштабирования процесса) – решаются свои задачи налаживания производства и его оптимизации. 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. 3. Лабораторные ферментаторы. 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 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.  По принципу теплообмена и стерилизации лабораторные аппараты делятся на две категории: 1) аппараты, лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации (их помещают в водяные бани с постоянной температурой, а стерилизацию проводят в автоклаве); 2) аппараты, имеющие собственные системы теплообмена и стерилизации. Лабораторные биореакторы используют для решения следующих задач: 1) кинетических – измеряют скорость роста клеток, утилизации субстратов и образования целевого продукта; 2) некоторых массообменных – рассчитывают коэффициенты массопередач, скорость поступления в среду кислорода и других газов, скорость освобождения среды от газообразных продуктов жизнедеятельности (СО2); 3) стехиометрических – устанавливают коэффициенты в брутто-уравнениях химических реакций, связывающих потребленные субстраты и кислород с получаемыми целевыми и побочными продуктами. На этапе пилотных биореакторов в общих чертах возможно дублировать конструкционные детали промышленного аппарата и исследовать макрокинетику процесса – динамику потоков жидкости, газа, теплоты. На этом этапе выбирают тип аппарата, который далее применяют в промышленном масштабе. Для облегчения конструирования пилотных биореакторов и апробирования их различных вариантов, создают специальные наборы стандартных унифицированных деталей, которые можно соединять и компоновать в различных сочетаниях. 4. Цели и задачи лабораторных биореакторов Лабораторные биореакторы используют для решения следующих задач: 1. Проведение микробиологических селекционных работ по отбору более эффективных штаммов микроорганизмов в процессе их культивирования; 2. Оперативный анализ влияния качества сырья, минеральных солей, воды и других факторов на показатели роста микроорганизмов; 3. Изучение воздействия на метаболизм клеток и технологические показатели процесса ферментации различных стимулирующих добавок биологической и физико-химической природы; 4. Уточнение в производственных условиях оптимальных параметров процесса культивирования (температура, pH среды, уровень аэрации и перемешивания и т. д.); 5. Изучение кинетических и стехиометрических зависимостей различных штаммов микроорганизмов; 6. Исследование влияния внешних факторов на качественный состав биомассы и продуктов вторичного метаболизма клеток. 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. |