Карачун В.В., Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

ГЛИБИННЕ КУЛЬТИВУВАННЯ ПОПУЛЯЦІЙ МІКРООРГАНІЗМІВ В АЕРОБНИХ УМОВАХ

В мікробіологічній, харчовій та медичній промисловостях останнім часом з’явилася численна кількість різних технічних рішень конструкції ферментаторів для аеробного вирощування біомаси і отримання її метаболітів. За два десятиріччя отримано більше трьохсот патентів на ці конструкції. Ситуація, що склалася, пояснюється не тільки, і не стільки, потребами виробництва, скільки пріоритетними інтересами широкого загалу дослідників, що піклуються розвитком цієї галузі.

Рослинні клітини, які мають клітинну стінку, та культури живої клітини тварин і людини, які її не мають, відповідно вирощуються на обладнанні зі своїми специфічними, відкоректованими апаратурними особливостями біотехнологічних процесів. Звідси, або швидкохідні механічні засоби масообміну, або навпаки – тихохідні, без наявних комплектуючих великої протяжності, фрикційних та зубчатих пар, муфт тощо.

Ефективність роботи біореакторів окреслюється багатьма показниками. Але основними з них слід вважати якісні характеристики процесів масообміну і аерації. Технічні рішення особливостей конструкцій біотехнологічного обладнання підвладні таким чином одній меті – виключенню ризика виникнення градієнтних проявів цих складових у поліагрегатній структурі. Розв’язання проблеми слугує підґрунтям росту якісних показників технологічного процесу.

Автори пропонують патентозахищені технічні реалізації апаратів для культивування клітин з метою розв’язання найгостріших задач одного з пріоритетних напрямків розвитку сучасної держави – біотехнології.

Логіка удосконалення конструкції біореакторів цілком слушна і для хімічних реакторів.

Для організації промислового виготовлення матеріалів біологічного походження, вкрай необхідне володіння хімічною технологією, біохімією, мікробіологією тощо. Оцінка загальновизнаних складових виробництва в різних галузях промисловості свідчить, що велика кількість процесів за своєю суттю являє лише новий підхід до використання методів, які вже широко застосовуються в промисловості. Тому надбання хімічних виробництв можуть бути використані в біохімічній технології. Можна провести декілька цікавих порівнянь хімічної і біохімічної технологій.

1. Головні закономірності масопередачі та енергообміну, як і концепції потока рідини, являються загальними, але з тією різницею, що виробництва з обробкою біологічних процесів мають справу з вузьким температурним діапазоном і досить часто з в’язкою н’ютонівською рідиною.

2. Багато методів, таких як фільтрація, знайшли широке застосування в біохімічній технології.

3. Численні методи пов’язані із забезпеченням вимог санітарно-гігієнічних умов та із здійсненням операцій стерилізації. Деякі з них можна кваліфікувати як нові. Ці методи ґрунтуються на використанні тепла, різних хімічних речовин та проникного випромінювання високої інтенсивності.

4. Володіння основами біології необхідне для усіх аспектів біохімічної технології, бо часто-густо виникає необхідність боротьби із сторонньою мікрофлорою, або обробкою напрочуд чутливих і нестабільних матеріалів, зокрема, білків і ферментів.

5. Біохімічна технологія охоплює ряд специфічних виробництв, які ґрунтуються на спеціальній кваліфікації. Виробництво вакцин, до речі, потребує знань і умінь у сфері медицини, зокрема, такого її аспекта, як культура тканини.

До сектора біохімічної технології відносяться ті галузі промисловості, які покликані виготовляти, обробляти та зберігати матеріали біологічного походження. Сюди слід віднести процеси обробки харчових продуктів – хлібопекарства, консервування тощо, бродильні виробництва – виробництво вина, пива, спирту, ацетона, бутанола та інших розчинителів, виготовлення дріжджів, а також продуктів мікробіологічного синтезу – антибіотики, вітаміни, ферменти, органічні кислоти, бактеріальні захисні препарати, стероїди, прискорювачі росту і таке інше.

Важливу роль в біологічних системах відіграє тепло- і масопередача крізь поверхні розділу фаз. Загалом, ці процеси відповідають класичним законам, однак часто не відповідають звичайним уявленням.

Фахівцям з біохімічної технології іноді випадає уповільнювати чи припиняти процеси, в яких приймають участь живі організми, а деколи – прискорювати їх. Так, в багатьох випадках культивування мікроорганізмів трапляється руйнувати всі побічні мікроби щоб забезпечити оптимальні умови росту обраного виду.

В процесі хіміко-технологічних операцій перетворення зазнають речовини, які мають свої, притаманні тільки їм, фізико-хімічні властивості. Багатогранна також і сама природа хімічної взаємодії. Природно, що цьому розмаїттю відповідає і безліч хімічних реакторів. Однак в спеціальній літературі практично відсутня скільки-небудь задовільна класифікація хімічних реакторів, якщо мати на увазі не конструктивні особливості апаратів, а внутрішню сутність процесів, їх ідеологію, характеризуєму конкретно окресленим сполученням фізичних і хімічних явищ.

Дійсно, одну і ту ж реакцію можна проводити в каскаді апаратів з мішалками й у колоні. Апарат, в якому здійснюється реакція може бути барботажним, насадковим, роторним або тарілчастим. Як реактор можна також використовувати одну із численних конструкцій контактних апаратів. Хоча конструкція апарату впливає на ступінь конверсії і селективність процесу, сутність його характеризується не конструкцією реактора, а певним взаємозв'язком фізичних і хімічних факторів, необхідних для успішного протікання реакції. Конструкція ж апарата є тільки засобом впливу на цей взаємозв'язок шляхом прискорення окремих фізичних або хімічних стадій.

Слід зазначити, що технологічні параметри процесу (температура, тиск, заданий ступінь конверсії й т.п.) часто відіграють роль, аналогічну ролі конструкції реактора. Але не завжди. Так, збільшення температури може вивести систему з області розшаровування в гомогенну область, що докорінно змінює внутрішній зміст процесу. В той же час, підвищення тиску може привести до зворотного переходу.

Таким чином, характер роботи реактора, вимоги до його роботи визначаються не конструкцією й технологічними параметрами, а в першу чергу тими фізичними процесами, які забезпечують необхідні умови протікання хімічної взаємодії. Саме з цих позицій хімічні реактори можна розділити на три великі групи: гомогенні, гетерогенні й гетерогеннокаталітичні.

В гомогенних реакторах процес протікає в одній фазі й не супроводжується фазовими переходами. Відсутність переносу речовини або енергії через границю фаз є основною ознакою гомогенних процесів. При цьому зовсім не обов'язково, щоб реактор містив тільки одну фазу. Він може бути заповнений інертною твердою насадкою для зменшення поздовжнього перемішування, або в нього може подаватися інертна рідина, чи газоподібна речовина, для барботажного перемішування чи створення ерліфта. Разом з тим,, якщо в реакторі не відбувається обмін речовиною, або енергією, між фазами, то він повинен бути віднесений до гомогенного.

Реакційна фаза при цьому може бути неоднорідною за складом, і в ній можуть мати місце градієнти температури й концентрації. Більше того, реакційна фаза може обмінюватися енергією зі стінками реактора або з вмонтованими теплообмінниками.

Гомогенні реактори бувають рідиннофазними або газофазними. Гетерогенні реактори мають дві відмітних ознаки. По-перше, в них відбувається міжфазний обмін речовиною або енергією, або і тим, і іншим, і, по-друге, відсутній твердий каталізатор. Найпоширенішими є гетерогенні реактори для систем рідина - рідина або рідина - газ. Рідше зустрічаються реактори для систем рідина - рідина - газ. Прямоточні й протиточні, ізотермічні й неізотермічні реактори мають свої особливості. Однак ці розходження не є принциповими і не слугують відмітними ознаками особливих типів реакторів. Деякі принципові ознаки мають реактори, у яких фази обмінюються тільки енергією. Цей тип реакторів є проміжним між гомогенними й гетерогенними. До розряду гетерогенних, реактори цього типу віднесені завдяки тому, що їх розрахунок потребує обліку міжфазної поверхні.

Однієї з найважливіших характеристик гетерогенних реакторів є структура реакційної фази. Реакція може протікати в суцільній або дисперсній фазі, а також в обох фазах одночасно. У деяких випадках робота реактора організується таким чином, щоб реакція проходила в суцільній фазі. Це дозволяє краще використовувати реакційний обсяг і підвищує можливість регулювання процесу.