Ферментеры и биореакторы

Биотехнологические аппараты предназначены для культивирования микроорганизмов, клеточных культур и проведения процессов биосинтеза в контролируемых условиях. Ферментеры и биореакторы используются в промышленной биотехнологии, микробиологических производствах и технологических линиях, где необходимо поддерживать заданные параметры питательной среды, газообмена и температуры.

Промышленные ферментационные аппараты и биореакторы для культивирования

Ферментер представляет собой технологический аппарат, в котором создаются условия для роста микроорганизмов или клеток и протекания биохимических процессов. В зависимости от назначения оборудование может оснащаться мешалкой, системой аэрации, теплообменной рубашкой, измерительными датчиками и устройствами подачи питательных компонентов.

Основные характеристики биотехнологического оборудования

Ферментаторы с мешалкой и системой аэрации

В аэробных биопроцессах необходимо обеспечивать поступление кислорода и его перенос в питательную среду. Для этого могут применяться системы подачи воздуха, барботеры и механические перемешивающие устройства. Мешалка способствует распределению компонентов, выравниванию температуры и организации газожидкостного контакта. Тип рабочего органа и режим вращения выбирают с учетом вязкости среды, требований к массообмену и чувствительности культуры к механическому воздействию.

Возможные элементы конструкции ферментера:

• Стальной корпус для размещения питательной среды и биомассы.
• Механическая мешалка с приводом и уплотнением вала.
• Барботер или другое устройство для подачи газа.
• Теплообменная рубашка для регулирования температуры.
• Патрубки подачи компонентов и отвода технологических потоков.
• Измерительные датчики для контроля параметров культивирования.
• Пробоотборные устройства и технологическая арматура.

Состав оборудования зависит от конкретной модели. Для анаэробных процессов система подачи кислорода может не требоваться, а чувствительные клеточные культуры могут нуждаться в специальных способах перемешивания.

Биореакторы для микробиологических и клеточных процессов

Оборудование для выращивания биологических культур различается по гидродинамике, способу газообмена, требованиям к чистоте и режиму управления. При выборе учитывают не только вместимость сосуда, но и условия, необходимые для жизнедеятельности конкретного биологического агента.

Основные разновидности биореакторных установок:

• Биореакторы с механическим перемешиванием — для процессов, требующих контролируемого смешивания среды.
• Барботажные аппараты — для организации газообмена посредством подачи газа в жидкую среду.
• Эрлифтные биореакторы — с циркуляцией среды за счет движения газожидкостной смеси.
• Посевные ферментеры — для подготовки и наращивания посевной культуры.
• Производственные ферментационные аппараты — для проведения основных стадий биосинтеза.
• Биореакторы для клеточных культур — с конструкцией, учитывающей чувствительность клеток к условиям культивирования.

Контроль температуры, кислотности и подачи кислорода

Эффективность биотехнологического процесса зависит от поддержания параметров среды в установленных пределах. Для отдельных культур существенное значение имеют температура, кислотность, концентрация растворенного кислорода, интенсивность перемешивания и режим подачи питательных веществ. Автоматизированные системы управления могут использовать датчики, исполнительную арматуру, насосы дозирования и регулируемые приводы. Фактические функции контроля определяются комплектацией реакторной установки.

Параметры управления биопроцессом

Стерилизуемые биореакторы и системы санитарной обработки

Для биотехнологических процессов с повышенными требованиями к чистоте могут использоваться аппараты, рассчитанные на санитарную обработку и стерилизацию. Конструкция таких установок должна учитывать особенности внутренней поверхности, соединений, уплотнений и удаления остаточных жидкостей. В оборудовании соответствующего исполнения применяются системы CIP (очистка без разборки) и SIP (стерилизация на месте). Возможность их использования, рабочие режимы и совместимость с моющими средствами или паром определяются технической документацией аппарата.

Применение ферментационного оборудования в промышленности

Ферментеры используются на предприятиях, где технологический процесс основан на деятельности микроорганизмов или клеточных культур. Для каждой отрасли подбирается оборудование, соответствующее требованиям к продукту, санитарной обработке и режимам культивирования.

Основные направления использования:

• Микробиологическая промышленность — выращивание микроорганизмов и получение биомассы.
• Биотехнологические производства — получение ферментов, органических кислот и других продуктов биосинтеза.
• Фармацевтическая отрасль — культивирование биологических агентов в аппаратах соответствующего исполнения.
• Пищевая промышленность — проведение контролируемых процессов ферментации.
• Производство кормовых компонентов — выращивание микробной биомассы.
• Научно-производственные комплексы — отработка технологий и масштабирование процессов культивирования.

Нормативная терминология и требования к ферментационным аппаратам

В ГОСТ Р 57095-2016 «Биотехнологии. Термины и определения» понятия «биореактор» и «ферментер» приводятся совместно. Эти названия относятся к аппаратам для культивирования микроорганизмов или эукариотических клеток с протеканием биохимических реакций при участии живых клеток либо клеточных экстрактов.

ГОСТ 31833-2012 устанавливает требования безопасности и методы испытаний для определенного оборудования гидролизно-дрожжевого производства, включая ферментаторы аэробного культивирования микроорганизмов в нестерильных условиях. Его действие не распространяется автоматически на все типы биореакторов, в частности на аппараты для стерильного производства антибиотиков и ферментных препаратов.

Как подобрать ферментер для биотехнологического производства

При выборе аппарата важно установить тип выращиваемой культуры, требуемый рабочий объем, режим культивирования и состав технологической среды. Для аэробных процессов дополнительно определяют потребность в кислороде и требования к его переносу в жидкую фазу.

Необходимо учитывать тепловыделение процесса, особенности перемешивания, допустимые условия очистки и возможность подключения оборудования к производственным коммуникациям.

Данные для подбора биореактора:

• Назначение аппарата и тип биологической культуры.
• Рабочий и геометрический объем емкости.
• Режим культивирования и длительность технологического цикла.
• Требования к стерильности и санитарной обработке.
• Диапазоны рабочих температур и давлений.
• Необходимость аэрации и характеристики газовой смеси.
• Тип перемешивания и параметры привода.
• Материал контактирующих с продуктом поверхностей.
• Требования к датчикам, автоматизации и технологическим подключениям.

Для подбора ферментационного оборудования рекомендуется подготовить техническое задание с описанием биотехнологического процесса, параметров рабочей среды, требуемой вместимости и особенностей эксплуатации. При заказе можно уточнить необходимость перемешивающего устройства, теплообменной рубашки, системы аэрации, средств контроля и санитарной обработки. Конкретное исполнение и комплектация согласовываются по технической документации.

Для покупки обратитесь к нашим менеджерам по номеру телефона +375 (25) 970-17-95 или электронной почте gomel@metatorg.ru