Химия/ 4. Химико-фармацевтическое производство

Бодня Е.С., Даниленко Е.Е., Деревянко Б.С., Россихин В.В.,

Степанова В.С.

Национально-технический университет «ХПИ», г. Харьков

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ГАЗО-ВИХРЕВЫХ БЕЗГРАДИЕНТНЫХ БИОРЕАКТОРОВ

Биотехнологические предприятия выпускают огромный перечень жизненно важной продукции - это лекарственные препараты, вакцины, тест-системы, средства защиты, факторы роста растений, ветеринарные препараты, экзополисахариды для увеличения добычи нефти, деструкторы нефтезагрязнений, пищевые продукты, добавки, ферменты и многое другое. Газо-вихревые безградиентные биореакторы (ГВББ) – это принципиально новый класс аппаратов, не имеющий аналогов в мире. По характеристикам они значительно превосходят все известные типы биореакторов.

Газо-вихревой способ перемешивания отличен от существующих способов: 1.Перемешивание культуральной среды в биореакторе осуществляется путем создания в жидкой среде трехмерного движения типа "вращающегося вихревого кольца" (квазистационарный поток с осевым противотоком). 2. Движение генерируется аэрирующим газовым вихрем за счет перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии. 3. Аэрирующий газовый вихрь формируется установленным в аппарате над поверхностью суспензии центробежным активатором. 4. ГВББ осуществляет мягкое, но эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон.

Назначением биореактора любого типа является создание наиболее оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нем клеток и микроорганизмов. Это обеспечение: 1. Хорошего массообмена по газовой фазе – дыхания; 2. Оптимального массообмена по жидкой фазе (перемешивания) – подвода питания и отвод метаболитов. При этом клетки не должны подвергаться механическим, тепловым и другим стрессовым воздействиям. Известны и применяются два способа перемешивания: 1. Перемешивание механическим устройством находящимся в жидкой фазе (ложка в стакане); 2. Перемешивание за счет продувки газовой фазы через жидкую – аэрлифтное, барботажное.

Недостатком биореакторов с механической мешалкой является: 1. Поверхностный массообмен в аппарате по причине хаотичного, неорганизованного перемешивания недостаточен для многих культур клеток и микроорганизмов; 2. В процессе перемешивания образуются высоко турбулентные и застойные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам осуществляется неравномерно; 3. То же происходит и с отводом метаболитов; 4. Культивируемые клетки и микроорганизмы гибнут из-за механического воздействия на них лопастей мешалки и возникающих срезающих напряжений возле них; 5. На концах лопаток перемешивающего устройства возникают микрозоны локальных перегревов, которые также губительны для клеток.

Недостатками аэрлифтных биореакторов является то, что: 1. Из-за слабого (неинтенсивного) перемешивания (т.е. подвода питания и отвода метаболитов) они не всегда пригодны для культур с активной жизнедеятельностью; 2. Всплывающие воздушные пузырьки при контакте с чувствительными клетками губят их вследствие резкого перепада давления. 3. В биореакторах данного типа происходит обильное пенообразование, что не позволяет использовать весь объем аппарата, а применение химического пеногасителя снижает качество конечного продукта и удорожает процесс. 4. В аэрлифтных биореакторах невозможно использовать вязкие культуральные жидкости. Большинство используемых в мире биореакторов представляют собой комбинацию этих двух типов аппаратов с вышеуказанными недостатками, проявляющимися в большей или меньшей степени в зависимости от конструкции аппарата.

Эти недостатки связаны с травмируемостью клеток, микроорганизмов при перемешивании, недостаточностью массообмена, наличием турбулентных и застойных зон, высоким энергопотреблением, низкими характеристиками при работе с вязкими средами. Технические характеристики ГВББ следующие: а) позволяет культивировать любые типы клеток и микроорганизмов, в том числе и легко травмируемые; б) работает с особо вязкими жидкостями (особенности закрученных потоков обеспечивают возможность перемешивания особо вязких жидкостей в газо-вихревом биореакторе. Благодаря этому свойству аппарат получил дополнительное применение в различных сферах, например, в процессах биоконверсии крахмала и производства полисахаридов); в) обладает пониженным энергопотреблением; г) энергозатраты на перемешивание жидкости в 10-12 раз меньше, чем у биореакторов с механической мешалкой; д) в биореакторах с механической мешалкой почти 70% потребляемой мощности расходуется на преодоление сил сопротивления среды. При этом происходит переход механической энергии в тепловую и как следствие - избыточный вредный нагрев культуральной жидкости. Возникает необходимость отведения этого избыточного тепла, что требует дополнительных затрат. В ГВББ 98% вносимой мощности используется непосредственно на перемешивание; е) осуществляет интенсивное перемешивание без образования пены; ж) образующийся газовый вихрь является эффективным пеногасителем; з) имеет высокую скорость массобмена; и) работает, не меняя своих качественных характеристик при заполнении 15%-90%; к) гидродинамика биореактора практически мало зависит от уровня жидкости в нем, биореактор легко масштабируется.Это свойство позволяет при промышленном производстве убрать промежуточные «запускные» биореакторы из технологической цепи; л) в процессе перемешивания не образуется зон локального перегрева - микрозон с повышенной температурой.

В биореакторах с механической мешалкой при переходе механической энергии в тепловую при перемешивании эта энергия (температура) вносится по всему объему неравномерно, а именно, в крайних точках перемешивающего устройства. Это отрицательно сказывается на результатах биотехнологических процессов с живыми организмами и ферментами, существующими и работающими в строго ограниченном интервале температур. Энергия (температура) в ГВББ вводится по всему объему равномерно, в не вызывающих местные перегревы количествах.

Технические характеристики ГВББ позволяют: 1) культивировать клетки, плохо воспроизводимые в известных типах биореакторов; 2) сократить количество биореакторов промежуточного объема в технологической цепи; 3) не использовать химический пеногаситель, существенно усложняющий и удорожающий дальнейший процесс очистки и получения конечного продукта; 4) применять биореактор в процессах, использующих вязкие жидкости или получающих таковые в процессе микробиологического синтеза; 5) резко снизить затраты электроэнергии, что особенно важно в промышленном производстве. В ГВББ успешно культивировались клетки ВНК-21, капустной совки IZD MB-0503, миеломы мыши Sp210-Ag l4P3, А4C5 (гибрид клеток почки и лимфоцита свиньи), человеческие лимфоциты МТ-4, клетки тимуса человека (Т-5), Aspergillus awamori, Fusarium moniliforme, и многие другие.

Положительными качествами ГВББ являются: 1. Универсальность - возможность успешно культивировать практически любые типы клеток (в т.ч. гибридные, эмбриональные) и микроорганизмы. 2. Полная воспроизводимость (масштабируемость) результатов лабораторных процессов при промышленном внедрении разработок. 3. Высокая экономическая эффективность при промышленном использовании в производстве лекарственных препаратов (в том числе с использованием особо чувствительных эмбриональных, гибридомных и других клеток), широкого спектра микробиологических препаратов для сельского хозяйства и ветеринарии, полисахаридов и нефтедеструкторов для нефтедобывающей промышленности, продукции для пищевой и легкой промышленностей (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы и т.д.), ПАВ и ферментов для химической промышленности,

При этом ГВББ - наиболее оптимальный вариант для научно-исследовательских работ в области микробиологии и биотехнологии, что позволяет:

· расширить спектр решаемых задач, в том числе и связанных с обеспечением обороноспособности и биологической безопасность страны;

· создавать и внедрять в промышленность новые биотехнологические продукты;

· сократить число необходимых лабораторных биореакторов, имея один универсальный аппарат, работающий при заполнении 10-90% вместо линейки из нескольких разного объема. Это так же актуально для экономии культуральных сред, которые во многих экспериментах весьма дороги.