Биологический каталог




Биотехнология. Проблемы и перспективы

Автор Н.С. Егоров, В.Д.Самуилов, А.В. Олескин

огии. Специфика биотехнологических процессов состоит в том, что в них принимают участие живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает существенное влияние на процессы массопередачи — обмена веществом между различными фазами (например, перенос кислорода из газовой фазы в жидкую) и теплообмена — перераспределения тепловой энергии между взаимодействующими фазами. Поэтому важной составной частью биореактора является система перемешивания, служащая для обеспечения однородности условий в аппарате, эффективной массопередачи между водной фазой в биореакторе и пузырьками газа или частицами твердого субстрата, между культуральной жидкостью и культивируемыми клетками, а также в пределах жидкости между ее различными слоями.

Расчет системы перемешивания требует ясного понимания особых свойств среды в биореакторе. Клетки, часто соединенные в длинные цепочки, и особенно гифы грибов или актиномицетов значительно увеличивают вязкость среды. Помимо этого, жидкость, содержащая нитевидные образования, как бы приобретает жесткую арматуру. Усилия ниже определенной (пороговой) ве-личны, приложенные в такой жидкости (например, давление лопастей мешалки), не вызывают ее перемешивания. Подобные свойства не характерны для жидких сред, не содержащих биообъекта, поэтому в биотехнологии предъявляются особые требования к системе перемешивания, в частности, приходится резко повышать мощность мешалки.

Повышение мощности и соответственно ускорение вращения мешалки создают другую проблему. Приложение значительных усилий к жидкости может повлечь за собой угнетение роста биообъекта, снижение эффективности синтеза целевого продукта, повреждения и гибель клеток.

Существенные различия между биотехнологическими и химико-технологическими процессами касаются массопередачи между газовой и жидкой фазами в реакторе. Многие биотехнологические процессы относятся к числу аэробных — они требуют для своего осуществления аэрации, т. е. снабжения кислородом. Для аэрации культуральной среды используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, реже чистый кислород. В ходе метаболических процессов выделяются газообразные продукты, в первую очередь С02, которые подлежат удалению. Процессы, протекающие без доступа кислорода (анаэробные), нередко зависят от газообразных субстратов или требуют отвода газообразных продуктов жизнедеятельности.

Системы газоснабжения и газоотвода, важнейшим примером которых служат аэраторы — установки для обеспечения кислородом, должны функционировать эффективно, надежно и в то же время экономично. Технологу приходится балансировать между угрозой перерасхода кислорода, без необходимости пропускаемого через жидкость, уже насыщенную этим газом, и риском исчерпания 02 в среде, особенно если клетки активно потребляют 02 для дыхания.

Кислород плохо растворим в воде: его равновесная концентрация в питательных средах при 26—30°С близка к 0,21 моль/м3 (0,0007%). В то же время кислород относится к числу быстро расходуемых субстратов, и поэтому его запас в жидкости без подпитки исчерпывается за несколько секунд. Все это обусловливает необходимость слаженной работы систем аэрации и перемешивания и постоянного контроля за этими системами.

Во многих случаях потребность в 02 меняется по мере развития культуры. Аэратор должен вовремя реагировать на эти изменения, увеличивая или уменьшая подачу 02. В некоторых производственных процессах концентрацию 02 в среде поддерживают на уровне, не обеспечивающем максимальное потребление клетками (лимитирование роста клеток кислородом), и тогда необходима точная регулировка скорости его подачи в биореактор.

Фундаментальной характеристикой массопередачи между газом и жидкостью служит объемный коэффициент массопередачи соответствующего газа. Этот коэффициент показывает, какова скорость переноса молекул газа из газовой фазы в жидкую при заданной разности концентраций газа между двумя фазами. Объемный коэффициент массопередачи зависит от характеристик среды культивирования и аппарата. Он существенно меняется при внесении в среду биообъекта, обычно в сторону увеличения. Это объясняется активным поглощением газа (в рассматриваемом случае О2) клетками, что способствует поступлению его новых порций в жидкость из газовой фазы.

Увеличение объемного коэффициента массопередачи особенно характерно для разработанных в последние годы биотехнологй-ческих процессов, поскольку: 1) применяют концентрированные популяции клеток и 2) широко используемая иммобилизация клеток и их компонентов на носителях ведет к активации поглощения 02 из среды (D. N. Bull, 1983). Коэффициент массопередачи представляет собой важнейшую характеристику процесса, исходя из которой проводят расчет, оптимизацию и масштабирование уровня аэрации среды для культивирования биообъекта (К. Г. Федосеев, 1977; В. В. Бирюков, Л. М. Кузьмина, 1984; В.Н.Тарасов, 1984; В.В.Бирюков, В. М. Кантере, 1985; М. So-botka, 1984).

Оценка этого коэффициента, проводимая по скорост

страница 26
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77

Скачать книгу "Биотехнология. Проблемы и перспективы" (4.22Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2017)