1 of 46

Лекція 10�Біореактори

2 of 46

ВИРОБНИЧИЙ ЕТАП БІОТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ�

  • Виробничий процес - це сукупність послідовних операцій від початку функціонування об'єкту і до завершення процесів росту, біосинтезу або біотрансформації, які можуть бути обумовлені вичерпанням поживних компонентів середовища, старінням, зміною характеристик об'єкту, або іншими причинами.

​

3 of 46

Біореактором чи ферментером

називають установку для культивування біологічних об’єктів, у якій створюються умови, що забезпечують їх життєдіяльність.

Біореактори виготовляють із інертних матеріалів – сталь, що не іржавіє, скло, поліетилен, інші полімерні матеріали.

4 of 46

Ферментер виконує дві основні функції –

  • здійснює транспортні, масообмінні процеси,
  • функціонує як теплообмінник.

​

По сутності процесів, що протікають в ферментері він відноситься до біологічних систем, але конструктивне оформлення реалізується, як для звичайного хімічного реактора.

5 of 46

Самий простий ферментер складається з:

  • Ємкості, яка визначає робочий об’єм апарату, якій не повинен перевищувати 0,7 від загального об’єму.
  • Системи вводу та виводу рідких та газових потоків
  • Системи перемішування
  •  Барботера
  • Охолоджуючого пристрія
  • Сорочки

​

6 of 46

Умови культивування повинні забезпечувати клітини-продуценту:�

  • необхідними поживними компонентами;
  • необхідним газовим складом О2/СО2;
  • стабільним рН середовища;
  • підтримкою осмотичності середовища;
  • однорідністю складу середовища;
  • постійною температурою (мікроорганізми виділяють 10-14 кДж тепла на 1 кг сухої маси;
  • видалення продуктів метаболізму.

​

7 of 46

Вимоги до біореакторів

  • повна герметизація, що виключає попадання сторонньої мікробіоти,
  • збереження постійного об'єму культуральної рідини,
  • зручність при чищенні всіх частин апарату і внутрішньої поверхні,
  • зручність стерилізації - усередині реактора не повинно бути «мертвих зон», недоступних для пару під час стерилізації.

8 of 46

Ферментер забезпечений термостатуючим, перемішуючим, аеруючим та регулюючим рН середовища пристроями, обладнаний системою подачі живильного середовища, піногасника, води, пари.

9 of 46

У біореактора повинно контролюватися:

  • Температура стерилізації
  • Температура культивування
  • рН
  • рО2
  • рСО2
  • швидкість обертання мішалки
  • тиск
  • розхід повітря
  • піноутворення

10 of 46

Ферментер емністю�200 м (внутрішній вигляд).�

11 of 46

Схема роботи біореактора

12 of 46

13 of 46

14 of 46

За своїм робочим об'ємом біореатори бувають

  • лабораторні (0,5-100 л),
  • пілотні (100 л – 5 м3),
  • промислові (5-1000 м3 і більше).

15 of 46

16 of 46

Технічні характеристики біореакторів�

17 of 46

Технічні характеристики типових промислових ферментерів.

Об’єм, м3

Висо- та, м

Діамет р, м

Потужність електродвигуна,

кВт

Число обертів мішалки, с-1

1,0

3030

1100

2,5; 3; 3,5;

3,067; 4,083;

(8/6/4Т)

6,117

1,0

2845

1100

2,8

4,500

2,0

3870

1300

4,5

3,167

3,2

3960

1500

10

3,167

5,0

4140

1700

10

3,000

5,0

4470

1700

10

3,000

18 of 46

За способом подачі повітря

біоректори бувають 2 типів:

​

  • без підведення стерильного повітря (для культивування анаеробних мікроорганізмів);

​

  • із підведенням стерильного повітря (для культивування аеробів).

​

19 of 46

За принципом культивування

  • закриті біореактори, де здійснюють періодичне культивування.
  • У відкриті системи постійно і рівномірно вводять компоненти поживного середовища, які вже використані культурою, так, щоб їх концентрація і обсяг середовища залишалися постійними.

​

За використовуваним принципом культивування біореактори бувають закриті і відкриті. У закритих біореакторах здійснюють періодичне культивування. У відкриті системи постійно і рівномірно вводять компоненти поживного середовища, які вже використані культурою, так, щоб їх концентрація і обсяг середовища залишалися постійними.

20 of 46

За способом підведення енергії

  • барботажні реактори з механічним перемішуванням;
  • ежекційні із турбінною мішалкою,
  • із зовнішнім циркуляційним потоком;
  • барботажні,
  • форсуночні,
  • колонні,
  • ерліфтні.

21 of 46

Існують три основні засоби введення енергії в поживне середовище:

- Ферментери з підводом енергії газовою фазою

- Ферментери з підводом енергії рідкою фазою

- Ферментери з підводом енергії газовою та рідкою фазою

​

​

22 of 46

Класифікація ферментерів за способом введення енергії для перемішування�

23 of 46

Ферментер з ерліфтом: 1 – штуцер для зливу. 2 - аератор, 3^ змійовик, 4 - штуцер для завантаження, 5 - люк, 6 - корпус апарату, 7 - дифузор, 8 - сорочка, 9 - труба передавлення-

24 of 46

Ферментер безперервної дії з ежекційною системою аерації (Б-50): 1 — кільцевий канал, 2 — повітропровід, 3 — піногасник, 4 — сепаратор, 5 — циліндр, 6 — привід, 7 — теплообмінник, 8 — дифузор, 9 — циліндрична склянка, 10 — ежекційний пристрій.�

25 of 46

Ферментер з самовсмоктувальною мішалкою безперервної дії: 1 - корпус, 2 - дифузор, 3 - самовсмоктувальна мішалка, 4 - теплообмінник, 5 - фільтр.�

26 of 46

За способом перемішування

  • апарати з механічним перемішуванням з механічною мішалкою, яка складається із центрального валу та лопастей різної форми
  • Апарати із пневматичним перемішуванням, у яких перемішування рідини здійснюється пухирцями газу;
  • Апарати із циркуляційним перемішуванням, які містять насоси, що створюють спрямований потік рідини по замкнутому контуру.

27 of 46

Циклонний колонний ферментер (схема).�

28 of 46

Параметри, що вимірюються при біотехнологічних процесах

​

Фізичні параметри

Хімічні параметри

Біологічні параметри

Температура

рН

Метаболіти

Тиск

Розчинений кисень

Ферментативна активність

Енерго витрачення

Кисень та СО2 у виходящем газі

Вміст ДНК і РНК

Вязкость

Окисно-відновлювальний потенціал

Вміст АТP і NADH2

Швидкості протоків повітря та рідини

Концентрація субстрату

Вміст білка

Мутність

Концентрація продукту

​

Маса ферментера

Іона сила розчину

​

29 of 46

Биореакторы по переработке биогаза

30 of 46

рекомендації з будівництва біореактора

31 of 46

Біореактори лабораторні

  • C:\Documents and Settings\Uzer\Рабочий стол\ндз\213[1].jpg

32 of 46

Вирощування водоростей у біореакторі

33 of 46

"Біореактор" для переробки гною в метан

34 of 46

Схема розташування робочих конструкцій біореактора

35 of 46

Робота з біореактором Coskata

36 of 46

Біореактори для утилізації відходів

37 of 46

Висотні біореактори призначені для переробки нафтових шламів

38 of 46

Голландці створили новий біореактор для вирощування кісткової тканини.

39 of 46

Робочий макет біореактора

40 of 46

Гігантські біореакторні поля для отримання харчового білка (розробки майбутнього)

41 of 46

SBR I, SBR II, SBR III – біореактори нанотехнологій. Розробка японських вчених дані біореактори виробляють електричну енергію потужності якої вистачає запитати наприклад комп'ютер, величина пристрою всього лише з сірникової коробки.

42 of 46

Піноутворення

Для успішного вирощування виробничих культур велике значення має запобігання піноутворенню. Всі ферментери забезпечені пристроями для введення піногасника та контролю висоти піни в апараті

43 of 46

Методи пінорегулювання

1.Хімічні - поверхнево-активні речовини (Твін 80 у концентрації 1% від об'єму, жири тваринного і рослинного походження, силікони, тощо).

2. Механічні

44 of 46

45 of 46

Спеціальні конструкції біореакторів

1.З рухомими мікроносіями для культур тканин

2. Мембранні для клітинних культур та іммобілізованих мікроорганізмів

3. Проточні колони з імобілізованими БА

4. Біореактори киплячого шару

46 of 46

Біореактори з імобілізованими мікроорганізмами