Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в
лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных
установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной
камеры: 0,5–100 л (лабораторные), 100-5000 л (пилотные) и 5000–1000000
л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба
ферментации (процесса) – масштабном переходе (масштабировании
биотехнологического процесса) – решаются конкретные задачи отработки
(налаживания) производства и его оптимизации.
Лабораторные ферменторы по устройству и форме напоминают
промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных
масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим
перемешиванием По принципу теплообмена и стерилизации они делятся
на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем
теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют
собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и
стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены
|
|
системами теплообмена и стерилизации, принципиально не
отличающимися от таковых промышленных установок.
С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие
задачи:
1) кинетические – определение скорости роста клеток, эффективность
утилизации субстратов и образования целевого продукта;
2)
некоторые
массообменные –
расчет коэффициентов
массопередачи, скорость поступления в среду О2и других газов, скорость
освобождения от газообразных продуктов, образующихся при
культивировании продуцентов (в первую очередь СО2);
3) определение коэффициентов реакций, связывающих
утилизируемые субстраты и О2с получаемыми целевым и побочными
продуктами.
Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название)
наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование
промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять
тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном
масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства,
вплоть до штатных вопросов. При масштабных переходах следует
постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда,
тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и
скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться
ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940–1950 гг. при организации
крупномасштабных производств антибиотиков.
Вследствие сказанного при переходе от лабораторных к пилотным, а
затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с
объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов.
Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев
масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и
экономичных технологий промышленного производства целевого
продукта.