Процесс ферментации является старейшей технологией из всех биотехнологических процессов, продолжающихся сотни лет. Технологии ферментации требуют значительных усилий со стороны различных дисциплин, таких как биопроцессы и химическая инженерия, микробиология, биохимия, генетика и даже физика и математика.
Ферментатор – это сосуд, который обеспечивает биомеханическую и биохимическую среду, регулирующую передачу кислорода, питательных веществ клеткам и продуктов метаболизма из клетки. Корпуса ферментаторов предназначены для использования активности катализатора для достижения желаемой химической трансформации клеток.
Биореакторы также определяются как инженерно-технические устройства, предназначенные для метаболической активности и оптимального роста организмов с помощью микроорганизмов, ферментов, биокатализаторов и клеток растений и животных.
Во многих случаях термины "биореактор" и "ферментатор" используются как синонимы. Небольшая разница между ними в том, что ферментатор используется для микробиологической культуры, а биореактор – для массовой культуры животных и растительных клеток.
Бродильный аппарат или ферментатор представляют собой сосуд цилиндрической формы с полусферическим днищем и крышкой, выполненный в основном из стекла и нержавеющей стали. Разница между классической системой компостирования и биореактором заключается в контроле и измерении параметров процесса компостирования в большей степени в биореакторе.
Биореакторы в некоторой степени отличаются от обычных химических реакторов. Они поддерживают биологические образования и контролируют их. Система ферментаторов должна быть достаточно прочной, чтобы обеспечивать более высокий уровень контроля предотвращения контаминации.
Бродильный завод занимается переработкой пива, вина, уксуса, йогурта, квашеной капусты. Переход от отечественного искусства к коммерческой практике требует совершенствования технологического процесса для увеличения срока годности и сохранения приемлемости продукта, при этом качество продукции, оборудования и параметров технологического контроля оставалось простым. Должна поддерживаться достаточная теплопередача, массоперенос, соответствующее количество субстрата, отсутствие заниженной или избыточной дозировки сырья в ферментере. Должна быть обеспечена надлежащая подача соответствующего субстрата, солей, кислорода, взвешенных частиц и наличие воды для аэробной системы.
Некоторые факторы, связанные с требованиями к конструкции ферментатора, включают в себя масштабирование, методы регулирования, типичную конструкцию и измерение, стерилизацию, гибкость операций, устройства управления процессом, совместимые с процессами на входе и выходе, а также меры против загрязнения.
Загрязнение ферментатора
Асептическая среда хорошо определена как защита от проникновения нежелательных микроорганизмов, и загрязнение препятствует выходу жизнеспособных клеток из процесса.
Загрязнение связано со всеми процессами ферментации, но после появления патогенных микроорганизмов в процессе ферментации необходимо провести стерилизацию и дезинфекцию всей установки.
Проектирование и эксплуатация ферментаторов
Конструкция ферментатора должна обеспечивать высокое качество продукта при низких затратах с улучшенной производительностью и аутентификацией желаемых параметров.
Конструкция ферментатора и принцип его работы зависят от производства микроорганизмов, стоимости продукта, условий, необходимых для получения желаемого продукта и масштаба производства.
Эффективный ферментатор положительно влияет на биологическую реакцию и предотвращает попадание посторонних частиц в организм.
В процессе ферментации должно поддерживаться надлежащее перемешивание, равномерная скорость распределения клеток и моносептические условия. Аэрация культуры достигается одним из следующих методов:
- повышение атмосферного давления или повышение давления кислорода и прямого распыления,
- непрямой или мембранной аэрации или средней перфузии.
Конструкция ферментатора должна регулировать рН, температуру, подачу кислорода и обеспечивать асептическую работу. Система должна также предусматривать автоматизированные этапы обработки. Все это необходимо не только для контроля, но и для будущего рутинного производства.
Материал, используемый для изготовления ферментатора
Лабораторный бродильный аппарат обычно сконструирован, а корпус промышленного масштаба обычно изготавливается из нержавеющей стали или с облицовкой из нержавеющей стали.
Наличие тонкой гидрооксидной пленки на внешней стороне стали снижает коррозию нержавеющей стали. Конфигурация пленки отличается в зависимости от промышленной обработки и модифицированных сталей. Хром используется для смягчения воздействия пленки и считается нерастворимым, пористым и самовосстанавливающимся веществом при воздействии окружающей среды или окислителя.
Устойчивость нержавеющих сталей улучшается наличием молибдена в смеси солей галогенов. В настоящее время молибден широко используется в строительстве ферментатора, содержащего 10% никеля и 18% хрома.
Основная особенность конструкции ферментатора
Основная особенность ферментатора включает в себя контроль пены, объем напорного пространства, отверстие для отбора проб, систему контроля температуры и рН, систему стерилизации и линии для загрузки и опорожнения реактора, но главные системы из них – это аэрация и перемешивание.
Система аэрации
Аэрация поддерживает рост организма, обеспечивая соответствующее количество кислорода в ферментере. Следует использовать аэраторы, создающие мелкие пузырьки воздуха, так как они имеют большую площадь поверхности, необходимую для хорошего питания клеток и их перемешивания.
Для обеспечения перемешивания с помощью аэрации отношение высоты к диаметру ферментатора должно составлять 5:1.
Система перемешивания
Мешалка обеспечивает равномерное перемешивание клеток в стандартизированной питательной среде и жидкой и газовой фаз, легкость переноса кислорода, рассеивание воздуха и передачу тепла и поддерживает равномерную атмосферу в ферментере.
Существует несколько типов мешалок:
- лопастной диск, который предотвращает затопление ферментатора воздушными пузырьками. Условия затопления создаются тогда, когда схема массового расхода в ферментере, как правило, связана с конструкцией мешалки, а также смещена и изменена центрально протекающему воздушному шлейфу.
- дисковая турбина
- открытая турбина переменного тока.
Заключение
Бродильные машины используются для производства широкого спектра биологических и высокоценных продуктов. Они обеспечивают перспективу контроля и мониторинга условий процесса ферментации с дополнительными преимуществами.
Не существует ни одного ферментатора, способного обеспечить все необходимые условия. Для увеличения производительности разрабатываются различные методы, кроме того, разрабатываются различные контрольные датчики для повышения производительности.
