БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.10. Крупномасштабное производство

12.10.4. Устройство ферментера и его использование

Ферментеры, или биореакторы, представляют собой камеры, в которых в жидкой или на твердой среде выращивают микроорганизмы. Процесс, происходящий в ферментере, называется ферментацией. Термин ферментация первоначально применялся только к анаэробным процессам, однако сейчас он используется более широко и включает все процессы, как аэробные, так и анаэробные. На рис. 12.16 изображен типичный ферментер. Это довольно сложное техническое сооружение, поэтому необходимо потратить некоторое время для изучения его устройства. Не забывайте также о проблемах, возникающих при расширении масштабов производства, которые были перечислены в предыдущем разделе. Содержимое ферментеров во время работы, как правило, тем или иным способом перемешивается. Например, при производстве белка одноклеточных прутина компанией ICI перемешивание достигается с помощью воздуха, подаваемого с высокой скоростью со дна сосуда. Продуктом являются либо сами клетки (биомасса), либо какой-то полезный клеточный метаболит. Все операции должны проводиться в стерильных условиях, чтобы избежать загрязнения культуры. Кроме того, необходимо обеспечить возможность поддержания в стерильном состоянии всех вводных и выводных отверстий ферментера. Ферментер и среду стерилизуют перед использованием вместе или раздельно. Исходные культуры организма, который должен использоваться в процессе ферментации, хранят в неактивной форме (например, в замороженном состоянии). Пробу активируют, наращивают в достаточном объеме с использованием асептических методов (наращивание) и затем добавляют в ферментер (инокуляция). В ферментере организм растет и размножается, используя питательную среду.

Обычно ферментер изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов. Все используемое оборудование, материалы и воздух должны быть стерильными. Оборудование стерилизуют паром под давлением. Пар должен иметь доступ ко всем поверхностям, которые в свою очередь должны быть гладкими и отполированными, насколько это возможно, и не иметь трещин и неровностей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Среду стерилизуют перед инокуляцией, пропуская пар через систему охлаждения. Воздух стерилизуют путем фильтрации.

Из соображений безопасности воздух, который выходит из ферментера, тоже нужно стерилизовать, хотя бы для того, чтобы избежать распространения микроорганизмов, сконструированных методами генной инженерии.

Рис. 12.16. Типичный ферментер. Размеры сосуда могут варьировать от 1 дм³ (экспериментальный) до 500 000 дм³ (для коммерческого производства). Форма и использованный для конструкции материал также различаются, хотя чаще всего ферментеры изготавливают в виде цилиндров из нержавеющей стали.

Обозначения:

A. Входное отверстие для воздуха. В большинстве случаев ферментация является аэробной и требует больших объемов стерильного воздуха, подаваемого через специальную конструкцию — разбрызгиватель. Пузырьки воздуха помогают перемешивать содержимое, обеспечивают доступ кислорода для аэробного дыхания и способствуют выведению летучих отходов.

Б. Мешалка присутствует в большинстве ферментеров. Благодаря перемешиванию повышается скорость растворения кислорода, поддерживаются градиенты диффузии кислорода и питательных веществ внутрь клеток и продуктов из клеток, предотвращается слипание клеток или мицелия грибов; осуществляется теплообмен между средой и охлаждающими поверхностями. Стержень мешалки должен быть прочным и стерильным.

B. Лопасти мешалки, обычно плоские, расположены вертикально.

Г. Входные отверстия для щелочи и пеногасителя. Они соединены с датчиками, контролирующими pH и пенообразование в ферментере. При аэрации и перемешивании образуется пена (в основном, из-за присутствия белков), которая препятствует отбору содержимого через выпускное отверстие. При контакте пены с датчиком пеногасителя он замыкает электрическую цепь, которая приводит в действие насос, впрыскивающий пеногаситель. Остальные датчики связаны электрической цепью с другими «эффекторами». В тех случаях, когда при ферментации повышается кислотность среды, добавляется щелочь, так что значение pH всегда постоянно.

Д. Выпускное отверстие. Содержимое ферментера находится под давлением, поэтому к нему присоединены манометр и защитный клапан.

Е. В верхней части ферментера есть отверстие, через которое добавляют среду и посевной материал (микроорганизмы). Оно также обеспечивает доступ для очистки ферментера.

Ж. Глушитель — вертикальное ребро на внутренней стенке ферментера — способствует усилению перемешивания ига- сит образование водоворотов при вращении культуры. При этом повышается эффективность переноса кислорода.

3. Охлаждающая рубашка снижает температуру, которая повышается в процессе роста культуры благодаря выделению тепла.

И. Выпускное отверстие позволяет отбирать пробы в процессе ферментации, так что процесс постоянно контролируется.