Биореактор - это основное звено в процессе
промышленного микробиологического синтеза. Так, микробные клетки могут
выдерживать энергичное перемешивание и аэрацию. Животные и растительные клетки
более хрупки и чувствительны к механическим воздействиям, вне зависимости от
способа культивирования: суспензионного или в иммобилизованном состоянии.
Задача биореактора обеспечить создание оптимальных
условий для роста культивируемых биообъектов и биосинтеза целевого продукта,
при соблюдении условий стерильности и экономичности процесса. Отдельной проблемой является перемешивание
вязких жидкостей. Сложностью обеспечения этих процессов для разных типов клеток
и микроорганизмов объясняется большое разнообразие рекомендуемых промышленных
биореакторов. Они отличаются лишь конструктивно, но по принципу работы входят в
какую-либо из ниже перечисленных четырех групп: 1. Барботажные и эрлифтные - перемешивание осуществляется за счет
подаваемого через среду воздуха; 2. Биореакторы
с механической «мешалкой» в перемешиваемой среде; 3. Комбинированные-многочисленные
комбинации двух первых типов; 4. Узкоспециализированные-уникальные,
создаваемые для одного процесса.
Многие фирмы экономически развитых стран Applicon
(Нидерланды), «Sartorius» (Германия), «Abbott Laboratories» (США), «New
Вrunswick Scietific Co. Inc.» (США) и т д. ведут разработки, направленные на
совершенствование конструкций биореакторов, но получение качественно новых
результатов невозможно так как в основе разработок используются те же известные
(старые) принципы перемешивания.
Превосходящие по сравнению с
традиционными аппаратами характеристики газо-вихревого биореактора объясняются
использованием принципиально нового способа перемешивания. Концепция
высокоэффективного универсального модульного биотехнологического предприятия
(биофармкомбината нового типа) состоит в том, что имеется постоянный "головной" - высокоэкономичный блок
газо-вихревых безградиентных биореакторов, позволяющих культивировать
практически любые типы клеток и микроорганизмов, и видоизменяющийся модульный "хвостовой" блок, модули которого
дополняются или изменяются в зависимости от перерабатываемого биопродукта,
получаемого из блока биореакторов
Газо-вихревые биореакторы заменяют устаревшую, не
отвечающую современным требованиям, роллерную технологию. Области возможного
применения газо-вихревых биореакторов:
1.
Микробиологическая, фармацевтическая промышленность.
· производство лекарственных препаратов (в том числе с
использованием особо чувствительных эмбриональных, гибридомных и других
клеток);
· производство моноклональных антител;
· производство широкого спектра микробиологических
препаратов для сельского хозяйства и ветеринарии;
· культивирование клеток тканей растений, насекомых,
животных и человека для нужд вирусологии;
· производство ферментов;
· производство полисахаридов и нефтедеструкторов для
нефтедобывающей промышленности и т.д.
2.
Нефтехимическая промышленность.
· химический синтез различных продуктов;
· производство ПАВ и ферментов для химической
промышленности и т.д.;
3.
Пищевая промышленность.
· производство сахаристых продуктов из зернового
крахмала – различных паток, глюкозных сиропов, ГФС;
· производство маргариновой продукции;
· пивоварение;
· производство лечебно-профилактического питания и т.д.
4.
Министерство по чрезвычайным ситуациям.
· мобильные биотехнологические модули для ликвидации
последствий экологических аварий биологического характера.
5.
Другие отрасли промышленности
· в процессах, где требуется обеспечение экономичного
эффективного перемешивания жидкостей, в т.ч. реологически тяжелых и с
переменной вязкостью.
Экономическая эффективность такого производства
достигается за счет (Табл.1): 1. Низкой
себестоимость единицы выпускаемой продукции как результата: а) малых
первоначальных капиталовложений за счет:
сокращения количества биореакторов в технологической цепи; упрощения и
сокращения схемы коммуникационных трубопроводов; сокращения общих
производственных затрат (электроэнергии,
водяного пара, моющих средств, площади, штата сотрудников и т.д.); 2.
Универсальности производства (возможности быстрого перехода на другой тип
продуцента); 3. Технологичности производства. 4. Финансовой устойчивости
предприятия за счет возможности маневра на рынке выпускаемой продукции.5
Увеличения выхода продукции.
Широкое
внедрение газо-вихревых биореакторов и создание на их основе высокоэффективных
универсальных модульных биотехнологических предприятий (биофармкомбинатов
нового типа) - одно из прорывных направлений в области промышленной
биотехнологии. Уникальные характеристики
и возможности безградиентных газо-вихревых биореакторов (патенты США, Японии,
Европатент) позволяют создавать на их основе экономичные мобильные
биотехнологические модули, нарабатывающих как полисахариды так и
нефтедеструкторы с низкой себестоимостью.
Использование таких мобильных модулей непосредственно
в местах нефтедобычи, особенно труднодоступных, представляется, весьма перспективно.
Факторы, обеспечивающие эффективность мобильного
биотехнологичекого модуля: 1.Сверхнизкое энергопотребление (0,3 вт/л
перемешиваемой среды); 2. Сокращенная технологическая цепь (отсутствие
промежуточных ”запускных” биореакторов); 3.Упрощенная система “обвязки” и
стерилизации; 4. Качественное перемешивание реологически тяжелых жидкостей с
изменяющейся вязкостью; 5.Успешное культивирование любых типов клеток и
микроорганизмов; 6. Низкое ресурсопотребление; 7. Размещение полноценного производства
на небольших площадях (в транспортируемых модулях).
Все вышеперечисленное позволяет размещать полноценное
производство в стандартных 40 футовых контейнерах. Данные технологические
модули можно транспортировать в необходимое место на автотранспорте, вертолетом
или иным транспортом в место назначения.
Мобильный биотехнологический модуль может производить
продукцию в любом месте, где есть источник воды.
Таблица
1
Примерная
сравнительная таблица параметров предприятия с использованием газо-вихревых
биореакторов по концепции биофармкомбината нового типа и стандартного
предприятия оснащенного биореакторами традиционного типа с мешалками
|
Название параметра |
Значение критерия |
Биофармкомбинат нового типа |
|
|
Улучшение параметра |
Ухудшение параметра |
||
|
Экономическая эффективность |
Себестоимость единицы производимой продукции. Первоначальные капиталовложения при организации производства. Затратность действующего производства. |
в 2-3 раза |
|
|
Универсальность (возможность использования в производстве разнообразных штаммов-продуцентов) |
Способность воспроизводить различные типы клеток, в т.ч. эмбриональные, гибридомные и микроорганизмы |
в 3-5раз |
|
|
Технологичность |
Количество биореакторов в технологической цепи. Количество коммуникаций. |
в 2-3 раза (в зависимости от процесса) |
|
|
Экологичность, ресурсосбережение |
Потребление электроэнергии, воды, моющих средств. Количество утилизируемых отходов. |
в 10-12 раз |
|
|
Потери при культивировании |
Потери при "проросте" среды |
в 4-5 раз |
|
|
Стоимость |
|
в 1,2–1,5 раза ниже |
|