Инжиниринг и комплексные поставки биотехнологического оборудования

Современная крупномасштабная ферментация

Из трех основных вариантов культивирования периодический является самым простым способом. Его главным недостатком является ограниченность контроля культуры, например, скорости роста (рис. 1). Альтернативой первому способу является периодическое культивирование с подпиткой (fed-batch) контролируемое линейным или нелинейным добавлением источника углерода и/или других питательных веществ, что приводит к значительно более высокой объемной и удельной производительности, поскольку фенотип клетки лучше контролируется (за счет создания оптимальных условий). Наконец, хемостатная культура и ее разновидность  - перфузионная культура, которая использует удержание клеток в биореакторе - является наиболее сложным и продуктивным методом культивирования клеток. Наиболее часто в промышленности используется периодическое культивирование с подпиткой, так как оно сочетает в себе безопасность и простоту периодической культуры с высокой производительностью непрерывного культивирования.


Рис. 1. Основные режимы промышленного суспензионного культивирования. 1 - периодическое культивирование без подпитки питательной средой. Подпитка идет только кислотой или щелочью для контроля pH. 2 - периодическое культивирование с подпиткой. 3 - перфузионное культивирование.

Биореактор должен быть спроектирован с учетом оптимального тепло-, газо- и массообмена, и так, чтобы перемешивание всего объема среды происходило за наиболее короткое время. В то же время динамическая среда в биореакторе не должна разрушать чувствительные к сдвигу клетки, такие как клетки млекопитающих. Необходимые условия переноса газов и питательных веществ и перемешивания культуральной среды должны при этом выполняться

Существует 2 наиболее важных аспекта:

  1. Суспензионные и адгезивные культуры. Одни культуры растут как одиночные клетки (“планктонные”), и они прекрасно себя чувствуют, будучи суспендированными в культуральной среде, а другим культурам нужно прилипать к твердым поверхностям или друг к другу.

  2. Второй аспект – это то, как питательная среда поддерживается в движении. Это может быть достигнуто механическим перемешиванием, воздухом, подаваемым со дна биореактора, или поддержанием движения питательной среды с помощью насоса или гравитационным потоком в трубчатых или плоских фотобиореакторах, которые используются для фототрофного культивирования микроводорослей.

Перемешивание потоком воздуха в эрлифтных ферментёрах применялось в самом начале работы с клетками животных. Однако некоторые клетки высших организмов были даже чувствительны к пузырькам воздуха. Попытки сохранить беспузырьковую культуральную среду несли с собой серьезные ограничения. Беспузырьковая аэрация бывает двух вариантов. Первый (более эффективный) - это аэрация через газопроницаемую мембрану. Второй - менее сложный - это простое аэрирование через поверхность культуральной жидкости. Однако процессы смешивания и массопереноса с эрлифтом и (особенно) с беспузырьковым культивированием быстро становятся невозможными при увеличении масштаба. Следовательно, биореактор с постоянным перемешиванием среды (БППС) стал предпочтительным для промышленного культивирования клеток млекопитающих. Конструкция настолько же эффективна, насколько и проста: вращающийся вал с навесным импеллером и/или мешалками любых типов. На рисунке 2 показаны два наиболее важных принципа: биореактор с перемешиванием и эрлифт. Хотя наиболее часто используемым типом биореактора является БППС, для самых крупных масштабов все еще используются эрлифтные биореакторы.


Рис. 2. Биореактор с перемешиванием и эрлифт

Преимущество эрлифтного биореактора заключается в том, что и аэрация, и перемешивание осуществляются с помощью газообразной фазы, именно поэтому он является весьма энергоэффективным. С другой стороны, требуются очень большие объемы стерильного воздуха, и поддержание долгосрочной стерильности - это серьезная техническая проблема.

Самый большой такой промышленный реактор, когда-либо построенный, предназначался для производства белка одноклеточных организмов (БОО) компанией «Imperial Chemical Industries» в Биллингеме, Великобритания, с использованием метанола в качестве источника углерода (рис. 3). 


Рис. 3. Реактор для производства белка одноклеточных организмов (БОО) компанией «Imperial Chemical Industries» в Биллингеме, Великобритания

Этот эрлифтный биореактор имел высоту 70 м и рабочий объем 2000 м3. Он был установлен в конце 1970-х годов, но с ростом цен на нефть после первого нефтяного кризиса в 1973 году и затем второго в1979/1980 годах, идея производить дешевые белковые продукты питания с использованием ископаемых углеводородов как сырья была быстро отброшена, и реактор был выведен из эксплуатации в начале 1980-х годов. Единственное оставшееся производство БОО находится в Биллингеме. Для производства микопротеина на грибах Fusarium venenatum, выпускаемого под торговой маркой «Quorn», используется 40-метровый эрлифтный биореактор.

Аналогичную конструкцию еще большего масштаба можно найти на очистных сооружениях, построенных компанией Hoechst в Леверкузене, Германия. Многочисленные направляющие потока жидкости, а также форсунки подачи воздуха обеспечивают перемешивание и аэрацию. Конструкция этого реактора “BIOHOCH” объемом 8000 м3 показана на рис. 4.


Рис. 4. Реактор “BIOHOCH” объемом 8000 м3

Несмотря на то, что эти особые примеры демонстрируют масштабируемость технологии, и хотя эрлифтные реакторы уже давно используются для чувствительных к сдвигу культур клеток, такая конструкция как биореактор с постоянным перемешиванием среды (БППС) стала стандартом для суспензионной культуры - и микроорганизмов, и клеток млекопитающих. Его конструкция универсальна, и процесс может быть масштабирован от лабораторного до полупромышленного масштаба и даже до 300 м3 в полностью асептичных стерильных ферментерах.

 

Сбросить
фильтр
ФАРМАЦЕВТИКА
Промышленная
биотехнология
АГРАРНАЯ
биотехнология
ЭКО 
биотехнология