Биореактор - это основное звено в процессе промышленного микробиологического синтеза. Микробные клетки могут выдерживать энергичное перемешивание и аэрацию. Животные и растительные клетки более хрупки и чувствительны к механическим воздействиям независимо от способа культивирования - в суспензии или в иммобилизованном состоянии.
Задача биореактора состоит в обеспечении оптимальных условий для роста культивируемых биообъектов и биосинтеза целевого продукта при соблюдении условий стерильности и экономичности процесса. Отдельной задачей является перемешивание вязких жидкостей.
Технологическая сложность обеспечения параметров процессов перемешивания для разных типов клеток и микроорганизмов объясняет большое разнообразие конструкций промышленных биореакторов. По принципу работы традиционные биореакторы входят в какую-либо из следующих четырех групп:
- Барботажные и эрлифтные биореакторы - перемешивание осуществляется за счет воздушного потока, подаваемого через среду;
- Биореакторы с механической «мешалкой» в перемешиваемой среде;
- Комбинированные - комбинации двух первых типов;
- Узкоспециализированные - уникальные, создаваемые для одного процесса.
Превосходные по сравнению с традиционными аппаратами характеристики газо-вихревого биореактора объясняются использованием принципиально нового способа перемешивания:
- перемешивание культуральной среды осуществляется путем создания в ней трехмерного движения типа «вращающегося вихревого кольца» - квазистационарного потока с осевым противотоком, генерируемого аэрирующим газовым вихрем за счет перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии;
- аэрирующий газовый вихрь формируется установленным над поверхностью суспензии центробежным активатором.
Схематично процесс перемешивания в газо-вихревом биореакторе изображен на рисунке:
Газо-вихревой биореактор:
- осуществляет мягкое, но эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон;
- имеет высокую скорость массобмена по кислороду КL 6- 8 1/час;
- работает, не меняя своих характеристик при заполнении на 10-90% объема, что позволяет при промышленном производстве убрать промежуточные «запускные» биореакторы;
- обладает малым энергопотреблением - 0,3вт/л, что в 10-12 раз меньше, чем у биореакторов с механической мешалкой;
- обеспечивает хорошее перемешивание вязких жидкостей;
- биореактор легко масштабируется.
Газо-вихревые биореакторы успешно используются и могут быть использованы во многих отраслях промышленности:
Микробиологическая, фармацевтическая промышленность:
- производство лекарственных препаратов (в том числе - с использованием особо чувствительных эмбриональных, гибридомных, стволовых 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.
Нефтехимическая промышленность:
- химический синтез различных продуктов;
- производство ПАВ и ферментов для химической промышленности.
Пищевая промышленность:
- производство сахаристых продуктов из зернового крахмала - различных паток, глюкозных сиропов, ГФС;
- производство маргариновой продукции;
- пивоварение;
- производство лечебно-профилактического питания.
Другие отрасли промышленности:
- в процессах, где требуется обеспечение экономичного эффективного перемешивания жидкостей, в том числе реологически тяжелых и с переменной вязкостью.
Лабораторные биореакторы успешно используются в различных научных и прикладных исследованиях в целом ряде научно-исследовательских институтов и производственных предприятияй: НПО «Вирион», НПО «Сибэнзим», НПО «Вектор», МГУ, Институт особо чистых биологических препаратов РАН, Институт нефти и газа м. .М. Губкина РАН, ГУ НИИЭМ им Н.Ф. Гамалеи РАМН, Институт катализа им Г.К. Борескова СО РАН, Институт органической химии им Н.Н. Ворожцова СО РАН, СибНИПТИП РАСХН, ВятГУ, БГАУ, ФГУП «Армавирская биофабрика», «НПФ " Исследовательский Центр", ЗАО " Вектор Бест", Институт Молекулярной Биологии и Биофизики СО РАМН, ООО " Центр инженерной иммунологии", Национальный Центр биотехнологии Казахстана.
Характеристики газо-вихревого биореактора позволяют предложить концепцию создания биофармкомбинатов нового типа.
Концепция высокоэффективного универсального модульного биотехнологического предприятия (биофармкомбината нового типа) cостоит 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.
На таком биотехнологическом производстве возможен быстрый переход с использования одного типа штамма-продуцента на другой. Предприятие может без крупных затрат оперативно реагировать на новейшие разработки в области практической биотехнологии и изменять или расширять номенклатуру выпускаемой продукции.
Для производства вакцин и других лекарственных препаратов обычно используют биореакторы емкостью от 20 до 100 литров или роллеры. Это связано со сложностью обеспечения оптимальных условий культивирования клеток, минимизации потерь в случае " пророста", так как используемые среды весьма дороги.
Выпускаемый газо-вихревой биореактор емкостью 300 л (рабочий диапазон 45-270 л) заменяет всю технологическую линию таких биореакторов и устаревшую, не отвечающую современным требованиям, роллерную технологию.
Ферментационный модуль универсального биотехнологического производства
Экономическая эффективность такого производства достигается за счет:
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;
б) 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.
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 | Улучшение параметра |
| 1. Экономическая эффективность | Себестоимость единицы производимой продукции. Первоначальные капиталовложения при организации производства. Затратность действующего производства. | в 2-3 раза |
| 2. Универсальность (возможность использования в производстве разнообразных штаммов-продуцентов) | Способность воспроизводить различные типы клеток, в т.ч. эмбриональные, гибридомные и микроорганизмы. | в 3-5 раз |
| 3. Технологичность | Количество биореакторов в технологической цепи. Количество коммуникаций. | в 2-3 раза (в зависимости от процесса) |
| 4. Экологичность, ресурсосбережение | Потребление электроэнергии, воды, моющих средств. Количество утилизируемых отходов. | в 10-12 раз |
| 5. Потери при культивировании | Потери при " проросте" среды. | в 4-5 раз |
| 6. Стоимость | В 1,2-1,5 раза ниже |
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.
Проект создания мобильного биотехнологического модуля по производству экзополисахаридов и нефтедеструкторов, размещаемого в местах нефтедобычи
Прогрессирующий рост трудно извлекаемых запасов нефти в районах, в развитие которых уже вложены большие материальные средства, предопределил необходимость повышения нефтеотдачи эксплуатируемых месторождений.
В настоящее время применяются различные способы увеличения дебета нефтяных скважин - от закачки оторочек с водой до использования направленного взрыва. Однако, одним из наиболее эффективных и экологических методов является использование гелеобразующих экзополисахаридов, получаемых микробиологическим путем на основе различных бактериальных штаммов (Putida, Acinetobacter, Azotobacter и др.).
Применение экзополисахаридов в нефтедобывающей промышленности, перспективно при:
- селективной водоизоляции в добывающих скважинах;
- выравнивании фронта заводнения и профиля приёмистости нагнетательных скважин;
- создании тампонажных и изоляционных составов с повышенной эластичностью и ударопрочностью;
- создании композиций для ремонта скважин без глушения продуктивных горизонтов солевыми растворами.
Экзополисахариды обладают высокой вязкостью разбавленных растворов при низких скоростях сдвига, что необходимо для их использования при вытеснении нефти из истощенных скважин.
Другой серьезной проблемой является ликвидация последствий загрязнения почвы и водных поверхностей нефтепродуктами на местах нефтедобычи. Эффективным способом решения этой проблемы является наработка живых концорциумов соответствующих штаммов-продуцентов и обработки ими мест загрязнений.
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, на наш взгляд, является весьма перспективным направлением.
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).
Полноценное мобильное производство может быть размещено в стандартных 40-футовых контейнерах. Такие технологические модули можно транспортировать к месту использования на любых видах транспорта. Мобильный биотехнологический модуль может производить продукцию в любом месте, где есть источник воды.
Используемые в настоящее время экзополисахариды закупаются за рубежом (Франция) или производятся в России (Бердск, Уфа). Однако их стоимость высока и существенно повышается при завозе в отдаленные районы, что отражается на стоимости добытой нефти.
Создание высокоэффективного, мобильного комплекса для наработки экзополисахаридов и нефтедеструкторов непосредственно в районах добычи нефти позволит:
1. Увеличить добычу нефти;
2. Снизить ее себестоимость;
3. Решить зкологические проблемы, связанные с добычей, хранением и транспортировкой нефти.
Проект использования газо-вихревых биореакторов в пивоварении
Процесс пивоварения состоит из следующих стадий:
- получение солода из ячменя;
- получение пивного сусла;
- сбраживание сусла пивными дрожжами;
- дображивание (созревание);
- фильтрация и розлив.
Сбраживание и дображивание - это обычные биотехнологические процессы культивирования культуры дрожжей со строго заданными выходными параметрами. Назначение биореактора - в обеспечении этих процессов.
В связи с тем, что очень важную роль в получении качественного конечного продукта играет температурный режим: 5-9 градусов С при брожении и 0-2 градуса С при созревании, - использование мешалок, погруженных в жидкость, не желательно. При таком перемешивании происходит переход механической энергии в тепловую, что вызывает нежелательный нагрев жидкости, возникающие при этом на концах мешалок зоны локальных перегревов губят дрожжевые клетки.
Продукты разложения (лизиса) погибших дрожжевых клеток угнетают соседние микроорганизмы и отрицательно влияют на вкусовые качество пива. Длительное использование безградиентных газо-вихревых биореакторов в микробиологии и биотехнологии показывает, что аппараты обеспечивают наиболее оптимальные условия для развития различных клеток и микроорганизмов, в том числе дрожжевых культур. При этом время процесса культивирования сокращается в 1,5-2 раза.
Использование безградиентных газо-вихревых биореакторов в процессе производства пива обеспечивает:
- Снижение себестоимости продукции за счет сокращения времени производственного процесса и энергозатрат.
- Сокращение времени производственного процесса за счет создания оптимальных условий для жизнедеятельности - дрожжевых культур.
- Улучшение вкусовых качеств пива вследствие отсутствия в нем продуктов разложения погибших в процессе брожения дрожжевых клеток.
- Ускорение технологий разработки и создания новых сортов пива.
