CC BY
38
УДК 663.14.033
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 3. С. 279-282
ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОРЕАКТОРОВ
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
А. П. Руденко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанных в лаборатории гидродинамики университета, биореакторов с роторами геликоидного типа. Использование технологических процессов с применением аэробных культур предполагает наличие в жидкой фазе достаточного количества в растворенном виде кислорода, которое может изменяться по ходу течения ферментации. Конструктивное решение биореактора должно быть таким, которое позволит практически реализовать эффективное решение этой не простой технологической задачи. Не менее важным и сложным является компенсация существенного воздействия на развитие используемых культур эффекта «стрессового» воздействия связанного с физико-механического повреждения клеток в процессе жесткого контакта с рабочими элементами перемешивающих устройств в процессе эксплуатации биореактора.
Разработанный новый реактор, не уступая по основным эксплуатационным характеристикам известным конструкциям аппаратов, в тоже время, обладает уникальным качеством, заключающимся в минимальном «стрессовом» воздействии на культуры в процессе ферментации. Анализ экспериментальных исследований процессов газодинамики и массообмена показал, что биореактор с ротором геликоидного типа (РГТ), не уступает типовым мешалкам, обладающих высокими значениями массообмена по кислороду, и в первую очередь, турбинным мешалкам.
Одновременно с этим, биореактор с РГТ, как показали исследования роста серно-желтого гриба, имеет пониженное «стрессовое» воздействие на культуру в процессе ферментации. В биореакторе с турбинной мешалкой имеет место физическое дробление и разрушение мицелия гриба, в то же время, как в биореакторе с РГТ мицелий сохраняет свою нитевидную форму, оказывая благотворное влияние на рост биомассы гриба. Выявленные положительные качества биореактора с РГТ указывают на то, что разработанный биореактор может достаточно успешно быть использованным для культивирования различных видов микроорганизмов, в особенности мицелиальных культур, больше подверженных «стрессовому» воздействию.
Ключевые слова: массообмен, глубинное культивирование, мицелиальные культуры, геликоидный ротор, биомасса.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 3, P. 279-282 PRACTICAL USE FEATURES OF NEW GENERATION BIOREACTORS
A. P. Rudenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
The results of theoretical and experimental researches developed in the Hydrodynamics laboratory of the Bioreac-tors University with Helicoid type rotors are presented in the paper. The use of technological processes with the aerobic crops' use implies the presence of a sufficient amount in the dissolved form oxygen in the liquid phase, which can change during the course offermentation. The constructive solution of the bioreactor should allow to practically realize an effective solution of this not simple technological problem. Equally important and complex is the compensation of the significant impact on the development of the used cultures of the effect of "stress" exposure, which is closely connected with physical and mechanical cells damage in the process of hard contact with work elements of mixing devices in the bioreactor exploitation process.
The developed new reactor, not yielding to the basic performance characteristics of the well-known apparatus designs, at the same time, has a unique quality, consisting in a minimal "stress" effect on the cultures during fermentation. Analysis of the gas dynamics and mass exchange experimental studies showed that the bioreactor with a Helicoid-type rotor (HTR) is not inferior to the model mixers possessing high values of mass exchange on oxygen , and first of all, turbine mixers.
At the same time, the HTR bioreactor, as shown by the research of the growth of sulfuric-yellow mushroom, has a reduced "stress" impact on the culture during the fermentation process. In a bioreactor with a turbine stirrer,
the fungal mycelium is physically crushed and destroyed, while in the bioreactor with RGT the mycelium retains its filamentary shape, having a beneficial effect on the growth of the fungal biomass. Revealed positive qualities of the bioreactor with RGT indicate that the developed bioreactor can be used successfully enough to cultivate various types of microorganisms, especially mycelial cultures that are more susceptible to "stress" effects.
Keywords: Mass exchange, deep cultivation, micelial cultures, Helicoid rotor, biomass.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство микробиологических производств используют аэробные культуры, которые, как известно, развиваются только в присутствии кислорода. Учитывая это обязательное условие, необходимым является обеспечение оптимальной концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе в течение всего процесса ферментации, причем потребность культуры в кислороде может меняться в разных фазах её развития.
Так, например, при большой плотности биомассы потребление кислорода может достигать 50 г/л, что в обязательном порядке, вызывает необходимость пополнять среду растворенным кислородом, переводя его из газовой фазы в жидкую.
Это одна из самых сложных задач в виду мизерной растворимости кислорода в водной среде, составляющей несколько миллиграмм на 1 литр при давлении 0,1 МПа [1].
Кроме этого, существенное воздействие на развитие используемых культур (особенно при культивировании растительных и животных тканевых клеток и мицелиальных культур) оказывает влияние наличие эффекта «стрессового» воздействия на биомассу в эксплуатируемом перемешивающем аппарате [2].
Это воздействие связано с физико-механическим повреждением клеток в процессе жесткого контакта с рабочими элементами перемешивающих устройств в процессе эксплуатации биореакторов. Именно наличие нежелательных эффектов снижает значительно технико-экономические показатели промышленной эксплуатации такого технологического оборудования, как биореакторы.
Таким образом, использование технологического оборудования, а именно, биореакторов по своему функциональному назначению призвано обеспечивать наличие оптимального массообмена (перенос кислорода из газовой среды в жидкую), который при этом порождал бы минимального характера «стрессовое» воздействие на рост биомассы в процессе эксплуатации аппаратов.
При этом следует указать, что эффективность эксплуатационных характеристик, определяющих производительность ферментационного процесса, напрямую влияет на стоимость производимой продукции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного биореактора с ротором геликоидного типа.
Условия транспорта питательных веществ к клетке, её снабжение всеми необходимыми для роста и развития элементами питания в значительной степени зависят от гидродинамической обстановки, от интенсивности перемешивания в рабочей полости биореактора [3].
В зависимости от интенсивности перемешивания, от степени турбулизации среды, изменяется соотношение между турбулентной и молекулярной диффузией, что обуславливает различную скорость транспортировки веществ к клетке. Масштаб турбулентных пульсаций в процессе перемешивания определяет условия диспергирования коалесценции элементов дисперсной фазы, углеродсодержащие малорастворимые субстраты. Время ферментации, необходимое для требуемой утилизации субстрата и прирости микроорганизмов, зависит от структуры потоков, условий перемешивания по всему реакционному объему аппарата [4].
Новый биореактор, не уступая по основным эксплуатационным характеристикам известным аналогичным конструкциям аппаратов, обладает уникальным качеством, заключающимся в минимальном «стрессовом» воздействии на культуры в процессе ферментации.
Анализ экспериментальных исследований процессов газодинамики и массообмена показал, что биореактор с ротором геликоидного типа, далее (РГТ) не уступает типовым мешалкам, обладающих высокими значениями массообмена по кислороду, и в первую очередь турбинным мешалкам.
В биореакторах с РГТ происходит наиболее оптимальное перемешивание культуральной среды, при котором градиент концентрации питательных веществ и кислорода становится минимальным по всему объему аппарата.
Одновременно с этим, биореактор с РГТ, как показали исследования роста серно-желтого гриба [2], имеет пониженное «стрессовое» воздействие на культуру в процессе ферментации. В биореакторе с турбинной мешалкой имеет место физическое дробление и разрушение мицелия гриба, в то же время, как в биореакторе с РГТ мицелий сохраняет свою нитевидную форму, оказывая благотворное влияние на рост биомассы гриба.
Выявленные положительные качества биореактора с РГТ указывают на то, что разработанный биореактор может достаточно успешно быть использованным для культивирования различных видов микроорганизмов, в особенности мицелиальных культур, больше подверженных «стрессовому» воздействию.
Анализ выполненного сравнения технико-экономических показателей биореакторов с механическим перемешиванием различной конструкции приведен в табл. 1.
Как следует из результатов, представленных в данной таблице, по своим технико-экономическим показателям биореактор с РГТ не уступает типовым конструкциям биореакторов, а по некоторым показателям превосходит их (повышенный коэффициент заполнения аппарата).
С целью определения областей применения разработанного биореактора при культивировании мицели-альных культур был выполнен теоретический расчет выхода биомассы при глубинном культивировании различных штаммов мицелиальных микроорганизмов в биореакторе с РГТ.
Для выполнения поставленной задачи было использовано уравнение баланса скоростей потребления кислорода клетками и поступления его из газовой фазы [2-4].
с1с
(Т
= Кьа(С* - С) - д02 хне
ЦТ
(1)
х = -
Кьа(С - С) 402 еЦТ ,
(2)
где Кьа — объёмный коэффициент массопередачи,
ч ; С — равновесная концентрация растворенного кислорода, мг/л; С — рабочая концентрация растворенного кислорода, мг/л; д02 — скорость потребления кислорода в биохимической реакции, кг кислорода / кг биомассы; ц — удельная скорость роста, ч—1; хН — концентрация биомассы, г/л.
При — = 0, выражение по определению концен-
( Т
трации биомассы принимает вид
Согласно [5; 6], количество потребляемого кислорода для большинства аэробных культур равно 0,7—2,0 кг О2/кг биомассы. Рабочая концентрация кислорода принимается равной критической Скр = 0,1 С [7]. По результатам экспериментальных исследований биореактора с РГТ определяется коэффициент Кьа = = 600 ч—1 (при п = 600 об/мин).
Полученные результаты расчетной концентрации биомассы различных штаммов мицелиальных микроорганизмов при глубинном культивировании в биореакторе с РГТ и в биореакторах типовых конструкций (по уравнению (2)) приведены в табл. 2.
Из данных табл. 2 следует, что для большинства микроорганизмов при их глубинном культивировании наблюдается высокая концентрация биомассы, особенно у дереворазрушающего гриба (согласно [8]), наибольший выход биомассы для дереворазрушаю-щего гриба составляет 10—12 кг/м3.
Таблица 1
Технико-экономические показатели эксплуатации биореакторов с механическим перемешиванием
Показатель Биореактор с РГТ С самовсасывающей мешалкой С механическим перемешиванием
Коэффициент заполнения 1,0 0,4—0,55 0,4—0,5
Удельный расход газа, м3/м3-мин 0,8—1,2 0,8—1,2 0,8—1,2
Степень использования кислорода, % 15—20 20—30 15—20
Удельная скорость сорбции кислорода, кг/м^ч 4,0 5,0—8,0 4,0—4,5
Удельные затраты электроэнергии на 1 кг О2, кВт-ч/кг 0,5—1,1 0,9—1,2 0,8—1,1
Таблица 2
Теоретическая концентрация биомассы при глубинном культивировании различных штаммов мицелиальных микроорганизмов в биореакторе с РГТ
Штамм микроорганизма Удельная скорость роста ц, ч--1 Концентрация биомассы х, г/л в типовых конструкциях биореактора Концентрация биомассы х, г/л в биореакторе с РГТ
Микрогрибы
Скае1оттт се11м1уИсмт 0,24 8,4 11,3
Лзре^Шиз т(ы1ат 0,148 13,6 18,3
РетсШтт chrysogеnum 0,123 16,3 22
Мисог himalis 0,099 20,3 27,4
ОеоНпсЫт сапЛ(ит 0,61 3,3 4,4
Меигозрога sitophila 0,40 5 6,8
Дереворазрушающие базидиомицеты
Р1еигоШз оз^еаШз 0,11 18,3 24,7
Другие базидиальные грибы до 0,26 7,7 10,4
Полученные результаты указывают на то, что разработанный биореактор с РГТ рекомендуется в первую очередь использовать при ведении глубинных процессов ферментации мицелиальных форм микроорганизмов, обладающих низкой дыхательной активностью и удельной скоростью роста (ц < 0,26 ч-1).
ВЫВОДЫ
1. По результатам выполненных исследований есть веские основания утверждать, что биореактор с ротором геликоидного типа, не уступая по рабочим характеристикам типовым аппаратам для перемешивания и, в первую очередь, турбинным мешалкам, обладает, наряду с другими показателями, высокими значениями массообмена по кислороду.
2. Особо важно отметить, что биореактор с ротором геликоидного типа, имея пониженное «стрессовое» воздействие на культуру в процессе ферментации, способствует сохранению мицелием нитевидной формы, что оказывает благотворное влияние на рост биомассы гриба, определяя, тем самым, значительное увеличение производительности аппарата.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М. : Мир, 1978. 332 с.
2. Иванов К. А. Совершенствование газожидкостных биореакторов на основе роторов геликоидального типа : дис. ... канд. техн. наук : 03.01.06 / К. А. Иванов. Красноярск, 2013. 153 с.
3. Виестур У. Э., Шмите И. А., Жилевич А. В. Биотехнология: Биологические агенты, технология, аппаратура. Рига : Зинатие, 1987. 263 с.
4. Кафаров В. В., Винаров А. Ю., Гордеев Л. С. Моделирование биохимических реакторов. М. : Лесн. пром-сть, 1979. 344 с.
5. Промышленная микробиология : учеб. пособие / З. А. Аркадьева [и др.]. М. : Высш. шк., 1989. 688 с.
6. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / А. Ю. Винаров [и др.]. М. : ДеЛи Принт, 2005. 278 с.
6. Винаров А. Ю., Кухаренко А. А., Панфилов В. И. Лабораторные и промышленные ферментеры : учеб. пособие. М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2004. 97 с.
7. Пленочные биореакторы / Н. А. Войнов [и др.]. Красноярск : БОРГЕС, 2001. 252 с.
8. Стахеев И. В., Коломиец Э. И., Здор Н. А. Биотехнология малотоннажного производства микробного протеина. Минск : Навука i тэхшка, 1991. 264 с.
REFERENCES
1. Pert S. Dzh. Osnovy kul'tivirovaniya mikroorgani-zmov i kletok. M. : Mir, 1978. 332 s.
2. Ivanov K. A. Sovershenstvovaniye gazozhidkost-nykh bioreaktorov na osnove rotorov gelikoidal'nogo tipa : dis. ... kand. tekhn. nauk : 03.01.06 / K. A. Ivanov. Krasnoyarsk, 2013. 153 s.
3. Viyestur U. E., Shmite I. A., Zhilevich A. V. Biotekhnologiya: Biologicheskiye agenty, tekhnologiya, apparatura. Riga : Zinatiye, 1987. 263 s.
4. Kafarov V. V., Vinarov A. Yu., Gordeyev L. S. Modelirovaniye biokhimicheskikh reaktorov. M. : Lesn. prom-st', 1979. 344 s.
5. Promyshlennaya mikrobiologiya : ucheb. posobiye / Z. A. Arkad'yeva [i dr.]. M. : Vyssh. shk., 1989. 688 s.
6. Fermentatsionnyye apparaty dlya protsessov mikrobiologicheskogo sinteza / A. Yu. Vinarov [i dr.]. M. : DeLi Print, 2005. 278 s.
6. Vinarov A. Yu., Kukharenko A. A., Panfilov V. I. Laboratornyye i promyshlennyye fermentery : ucheb. posobiye. M. : RKHTU im. D. I. Mendeleyeva, 2004. 97 s.
7. Plenochnyye bioreaktory / N. A. Voynov [i dr.]. Krasnoyarsk : BORGES, 2001. 252 s.
8. Stakheyev I. V., Kolomiyets E. I., Zdor N. A. Biotekhnologiya malotonnazhnogo proizvodstva mikrob-nogo proteina. Minsk : Navuka i tekhnika, 1991. 264 s.
© Руденко А. П., 2018
Поступила в редакцию 16.03.2018 Принята к печати 28.06.2018
