Реакторы с иммобилизованными клетками

биологический факультет                                                                                                  белорусский государственный университет

«Реакторы с иммобилизованными клетками»

Выполнила:

Студентка 4 курса 8 группы Василевская Анастасия Артуровна

 

 

 

Минск  2014

 

 

 

Оглавление

Введение3

Глава 1. Характеристика реакторов с иммобилизованными клетками.5

Глава 2. Технологические схемы реализации процесса биотрансформации 10

2.1 Проточный аппарат с  мешалкой, заполненный гранулами  биокатализатора 10

2.2 Аппарат с упакованной  насадкой биокатализатора 10

 2.3 Аппарат с псевдоожиженной насадкой 10

2.4 Аппарат с внутренним  контейнером биокатализатора11

2.5 Реакторы с трубками, заполненными биокатализатором 11

2.6 Реакторы с трубками, имеющими диффузионно-проницаемые  стенки 11

2.7 Реакторы, в которых  фермент или клетки иммобилизованы  на мембранах, проницаемых для  субстрата, продуктов и кислорода 12

Заключение13

Список литературы14

 

 

 

 

 

Введение

Первым целенаправленным применением иммобилизованных клеток, возможно, было создание Пастером агрегата для получения уксуса, в котором клетки Acetobader прикреплялись к поверхности деревянной стружки. Этот тип биореактора, капельный фильтр, до сих пор применяется при производстве винного уксуса и для очистки сточных вод.

Большинство современных биореакторов представляют собой ферментеры для периодического культивирования с перемешиванием. Однако проблема иммобилизации клеток тесно связана с непрерывным культивированием. Кроме того, в ферментерах с перемешиванием частицы с иммобилизованными клетками часто разрушаются. Поэтому необходимо создавать другие типы реакторов для использования иммобилизованных клеток. Несмотря на большое число статей, посвященных методам иммобилизации клеток, практически отсутствует подробное рассмотрение реакторов с иммобилизованными клетками.

Выбор реактора для каждого конкретного процесса определяется множеством факторов. Сюда входят метод иммобилизации, характеристики частиц (форма, размер, плотность, прочность), природа субстрата, влияние ингибиторов, кроме того, гидродинамические и экономические соображения. Реакторы с иммобилизованными клетками могут работать в периодическом или непрерывном режиме, хотя, в общем, несколько больше преимуществ у первых. Системы, работающие в непрерывном режиме, могут эксплуатироваться как реактор идеального вытеснения или как реактор полного смешения. Реакторы полного смешения часто более предпочтительны в тех случаях, когда в ферментере нежелательны высокие концентрации субстрата из-за его ингибирующего действия, но они не очень пригодны в случае ингибирования процесса конечным продуктом, так как все клетки оказываются подвержены действию ингибирующих концентраций продукта. Существуют трудности в снабжении кислородом и управлении реакторами идеального вытеснения.

Обычно в процессах биотрансформации, даже если они осуществляются живыми клетками микроорганизмов, целевым продуктом является не биомасса, а продукт биотрансформации.

Наилучшим способом при этом является непрерывный процесс, в котором через аппарат протекает жидкость, а пространство аппарата заполнено иммобилизованным биокатализатором, который остается в аппарате в течение довольно продолжительного времени.

Целью данной работы является рассмотреть устройство, принцип работы и виды реакторов с иммобилизованными клетками.

 

 

Глава 1. Характеристика реакторов с иммобилизованными клетками.

Высокая концентрация микроорганизмов в рабочем объеме реактора с иммобилизованными клетками определяет необходимость создания высоких скоростей массопередачи, что особенно важно для аэробных процессов, когда недостаточно интенсивная массоподача кислорода может лимитировать скорость образования целевого продукта. Эти требования приводят к необходимости перемешивания среды в рабочем объеме. Отсюда следует, что биокатализатор должен быть стоек к механическому истиранию его гранул и частиц. Тем не менее, механическая прочность иммобилизованных биокатализаторов часто бывает недостаточной, поэтому ее следует компенсировать путем разработки реакторов соответствующей конструкции. Исходя из этого удобно классифицировать реакторы для иммобилизованных клеток по относительному движению частиц твердой фазы (биокатализатора). По этому признаку все виды реакторов можно разделить на два типа - с отсутствием или с наличием движения частиц твердой фазы.

Отметим, что типы реакторов по этой классификации достаточно условны и отражают лишь наиболее общие принципы их устройства и функционирования. На практике те или иные реакторы могут сочетать принципы обоих типов, представлять разнообразные их модификации. Рассмотрим более подробно конкретные виды реакторов.

Реактор периодического действия (рис.1а) устроен просто: он представляет собой емкость с мешалкой, в которую помещают биокатализатор и раствор субстрата (питательную среду). После окончания процесса, иммобилизованные клетки отделяют от продуктов центрифугированием или фильтрацией и биокаталитический цикл начинается с начала. Очевидно, что такие реакторы недостаточно производительны, характеризуются большими потерями биокатализатора и находят лишь ограниченное применение, хотя следует отметить, что для традиционной микробиологической промышленности, основанной на использовании свободных клеток микроорганизмов, такой тип реактора является наиболее распространенным.

Проточный реактор с перемешиванием (рис.1б) отличается от предыдущего тем, что после каждого каталитического цикла отделение биокатализатора не происходит, субстрат периодически доливается, периодически же отделяются продукты. Эффективность такого реактора выше, чем у периодического. В идеальном проточном реакторе с перемешиванием содержимое находится в равновесном состоянии и система напоминает хемостат - один из вариантов непрерывного культивирования свободных клеток микроорганизмов.

Проточные реакторы  могут иметь неподвижный или перемешиваемый слой катализатора. Рассмотрим сначала реакторы с неподвижным слоем. Иммобилизованные клетки (в форме гранул, стружки, дисков, зерен, волокон и т.д.) могут быть  легко упакованы в колонне, образуя неподвижный слой. Субстрат проходит через слой биокатализатора сверху или снизу. Если профиль потока  жидкости точно перекрывает поперечное сечение реактора, то реактор работает по поршневому принципу. Концентрация субстрата максимальна на входе, а концентрация продуктов - на выходе из реактора, следовательно, эти реакторы особенно удобны для процессов, сопровождаемых ингибированием продуктами. Реакторы такого рода нашли промышленное применение, в частности для очистки сточных вод, получения уксусной, яблочной, аспарагиновой кислот, глюкозо-фруктозного сиропа, а также для процессов с иммобилизованными ферментами. Кроме проточного реактора с неподвижным слоем (рис.1в) применяют серию таких реакторов, а также проточный реактор с неподвижным слоем с рециркуляцией (рис.1г).

Для микробиологических процессов, проходящих с выделением газов (при получении этанола, например, выделяется СО2), для эффективного их отвода целесообразно использовать наклонный проточный реактор или  горизонтальный проточный реактор с фиксированным слоем биокатализатора (рис. 1д).

Проточные реакторы с перемешиваемым слоем биокатализатора могут быть с взвешенным (псевдоожиженным или кипящим) слоем, а также движущимся  фиксированным слоем. Реакторы с взвешенным слоем характеризуются тем, что субстрат поступает снизу достаточно быстро, так чтобы поддерживать частицы во взвешенном состоянии, но не настолько быстро, чтобы частицы уносились вместе с выходящим потоком жидкости. В данном случае реализуется режим, промежуточный между полным перемешиванием (как в проточном реакторе с перемешиванием) и отсутствием перемешивания (как в реакторе поршневого типа). Схема реактора с перемешиванием представлена на рис.5е.  Реакторы с взвешенным слоем целесообразно применять, когда псевдоожижение осуществляют газовой фазой (при аэрации или при выделении газа в катализируемом процессе), а  также для переработки вязких субстратов.

Рис.1 Типы реакторов

а - периодического действия; б - проточный с перемешиванием; в - с неподвижным слоем (проточный); г - с рециклом; д - горизонтальный с неподвижным слоем; е - проточный с взвешенным (“кипящим”) слоем

 

Относительная скорость движения жидкости и гранул в реакторах со взвешенным слоем невелика, что невыгодно с точки зрения обеспечения биокатализатора субстратом. Более удобными представляются реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора, когда расположение его гранул фиксировано друг относительно друга (это исключает также механическое повреждение гранул).

Предложен ряд вариантов реакторов с вращающимся перфорированным  контейнером (рис.2а), с кассетами диффузорами и мешалкой (рис.2б), а также реакторы типа "активный ротор" с перфорированными кассетами, выполняющими роль мешалки (рис.2в).

 

                      в

Рис.2 Реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора

а – с вращающимся перфорированным ротором; б – с кассетами – диффу-зорами;  в – типа активный ротор

 

В больших реакторах возникает эффект неоднородности слоя биокатализатора, вследствие чего поток жидкости проходит преимущественно по зонам с низким гидравлическим сопротивлением. Одним из возможных решений проблемы представляется использование проточных реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора. Примером служит реактор с носителем в виде пакета пластин (пластинчатый реактор рис.7а,б), покрытых слоем микроорганизмов. Можно использовать и реактор, в корпусе которого заключена кассета (в том числе съемная), на которой размещена пленка-адсорбент или волокна, ерши и другие элементы, обладающие развитой поверхностью и служащие адсорбентом микроорганизмов (рис.7в). К данной категории относится также горизонтальный реактор с параллельно расположенными вращающимися дисками, выполненными в виде кассеты, закрепленной на оси (рис.7г). Реактор с вращающимися дисками применяют для получения этанола, другие виды реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора используют при очистке сточных вод, в процессах бактериального выщелачивания руд.

   

Глава 2. Технологические схемы реализации процесса биотрансформации

2.1 Проточный аппарат с мешалкой, заполненный гранулами биокатализатора

На выходе потока из биореактора нужны сетчатые или пористые фильтры, задерживающие гранулы биокатализатора. При этом в аппарат можно «вогнать» достаточно много биокатализатора. Но для аэробных процессов биотрансформации возникают проблемы со снабжением гранул кислородом.

Для обеспечения высоких значений KLa требуется интенсивное перемешивание, а для гранул биокатализатора еще возрастает кажущееся значение Скр, так что массопередача нужна больше, чем для свободных клеток. Мешалка при этом может разрушать и истирать гранулы.

2.2 Аппарат с упакованной насадкой биокатализатора

Концентрация биомассы или фермента в рабочем объеме аппарата возрастает, что, конечно, хорошо, но одновременно возникают проблемы с аэрацией для аэробных процессов. (рис. 5.2) В анаэробных процессах (например, получение спирта) такое оформление процесса вполне приемлемо и даже оптимально. При наличии потребности в кислороде можно использовать модификацию аппарата -- секционирование его на невысокие секции, для которых хватает запаса растворенного в жидкости кислорода, с промежуточной аэрацией жидкостного потока.

2.3 Аппарат с псевдоожиженной насадкой

В этом случае гранулы биокатализатора под воздействием протекающего раствора и подаваемого в аппарат для аэрации воздуха постоянно движутся в растворе, что обеспечивает хороший коэффициент массопередачи между жидкостью и биокатализатором (рис. 5.3). Более интенсивный гидродинамический режим обеспечивает более высокое значение коэффициента массопередачи кислорода от воздушных пузырьков к жидкости, чем в аппарате с насадкой.

Недостаток -- меньшее количество работающего биокатализатора и механическое воздействие на гранулы вследствие их соударений, вызывающее разрушение и истирание гранул.

 

 

2.4 Аппарат с внутренним контейнером биокатализатора

В аппарате имеется контейнер, заполненный гранулами катализатора. Контейнер имеет перфорированные или сетчатые стенки и днище и вращается с помощью привода относительно вертикальной оси. Подаваемый снизу воздух насыщает жидкость кислородом и частично циркулирует через контейнер благодаря отверстиям в днище и стенках.

Такой аппарат лучше, чем традиционный аппарат с мешалкой, однако гранулы внутри контейнера, отбрасываемые центробежной силой к цилиндрической стенке, частично застревают в отверстиях или в сетках контейнера и разрушаются или истираются под действием соударений.

2.5 Реакторы с трубками, заполненными биокатализатором

Жидкость протекает через эти трубки, при этом субстрат с участием биокатализатора постепенно преобразовывается в продукт.

В отношении аэрации -- те же проблемы, что и для насадочного биореактора. Для анаэробных процессов некоторое преимущество заключается в более организованном потоке жидкости через трубки, отсутствии застойных зон (т. е. более полном использовании биокатализатора).

2.6 Реакторы с трубками, имеющими диффузионно-проницаемые стенки

Трубки заполнены биокатализатором, а межтрубное пространство -- обрабатываемым раствором, который может аэрироваться. Надо отметить, что массопередача кислорода за счет диффузии через стенку трубки недостаточна по сравнению с прямой массопередачей жидкость-газ с интенсивным перемешиванием.

Интересной модификацией является реактор, в котором имеются полые трубки, а межтрубное пространство заполнено биокатализатором. Трубки не имеют стенок, они как бы вырезаны в теле иммобилизованного биокатализатора.

Получается это следующим образом: биокатализатор вместе с гелеобразователем (каррагинаном) в жидком виде заливают в сосуд, заполненный стержнями; затем биокатализатор застывает (полимеризуется), а стержни вынимаются, образуя полые каналы для протекающего раствора.

В отношении аэрации система несколько лучше -- воздух барботирует через жидкость, без гранул биокатализатора; поверхность биокатализатора контактирует с аэрированной жидкостью напрямую, без мембраны.