Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Биореактор (ферментёр) — аппарат для культивирования микроорганизмов, клеточных культур и проведения ферментационных процессов в контролируемых условиях. Применяется в фармацевтической, пищевой, химической промышленности для производства антибиотиков, ферментов, вакцин, рекомбинантных белков, органических кислот.
Stirred Tank Reactor (STR) — наиболее распространённый тип промышленного биореактора. Представляет собой цилиндрический сосуд с центральным валом и одной или несколькими мешалками (импеллерами), размещёнными по высоте аппарата.
Стандартные пропорции для геометрического подобия:
Аэрлифтный реактор не имеет движущихся частей. Перемешивание и циркуляция осуществляются за счёт разности плотностей газожидкостной смеси в подъёмной (riser) и опускной (downcomer) зонах. Воздух подаётся в нижнюю часть подъёмной зоны.
Преимущества: отсутствие механических уплотнений (снижение риска контаминации), низкий сдвиг (пригоден для чувствительных клеток), простота стерилизации, равномерное перемешивание по объёму.
Ограничения: менее эффективный массоперенос по сравнению с STR при высоких вязкостях, сложность масштабирования выше 50 м3.
Пузырьковая колонна — вертикальный цилиндрический аппарат, в котором газ подаётся через распределитель в нижней части и поднимается через жидкость в виде пузырьков. Перемешивание обеспечивается только движением газа, без мешалки и без выделенного контура циркуляции (в отличие от аэрлифта).
Применяется для аэробных процессов с низковязкими средами, в частности для производства одноклеточного белка, обработки сточных вод, биодесульфуризации. H/DT = 3–6. Простота конструкции, но ограниченный контроль гидродинамики.
Промышленные биореакторы изготавливаются из коррозионностойкой нержавеющей стали:
Ключевой параметр аэробного биореактора — объёмный коэффициент массопередачи кислорода kLa (с−1 или ч−1). Скорость абсорбции кислорода:
OTR = kLa · (C* − CL)
C* — равновесная концентрация кислорода (по закону Генри), мг/л; CL — фактическая концентрация растворённого кислорода в среде, мг/л.
Корреляция Ван’т Рита для STR:
kLa = C · (Pg/V)a · Vsb
Pg/V — удельная мощность при аэрации (Вт/м3); Vs — приведённая скорость газа (м/с); C, a, b — эмпирические константы.
Масштабирование (scale-up) — перенос процесса от лабораторного к промышленному масштабу с сохранением ключевых характеристик. Основная сложность: невозможно одновременно сохранить все параметры постоянными при изменении объёма.
Обязательное условие масштабирования. Сохраняются соотношения: H/DT, Di/DT, расстояние от дна до импеллера, число и ширина бафлов. Все линейные размеры масштабируются пропорционально: l2/l1 = (V2/V1)1/3.
Задача: масштабировать микробный процесс из лабораторного биореактора V1 = 10 л (DT1 = 0,18 м, Di1 = 0,06 м, N1 = 500 об/мин) в промышленный V2 = 10 000 л = 10 м3. Критерий: постоянство P/V. Турбина Раштона, NP = 5.
1. Масштабный фактор: V2/V1 = 1000 → l2/l1 = 10001/3 = 10
DT2 = 0,18 × 10 = 1,8 м; Di2 = 0,06 × 10 = 0,6 м
2. P/V = const: NP · ρ · N13 · Di15 / V1 = NP · ρ · N23 · Di25 / V2
При геометрическом подобии V ∝ Di3:
N2 = N1 · (Di1/Di2)2/3 = 500 × (0,06/0,6)2/3 = 500 × 0,10,667 = 500 × 0,215 = 107 об/мин
3. Окружная скорость: πN2Di2 = 3,14 × (107/60) × 0,6 = 3,37 м/с
(для сравнения: πN1Di1 = 3,14 × (500/60) × 0,06 = 1,57 м/с — окружная скорость возрастает в 2,15 раза)
Ферментёр — для микроорганизмов (бактерии, дрожжи, грибы): H/D ≈ 3:1, турбины Раштона, кольцевой барботёр. Биореактор — для клеток млекопитающих, растений: H/D ≈ 1,5–2:1, импеллеры с наклонными лопастями (морской винт), микропористый барботёр. Биореактор обеспечивает меньшее сдвиговое напряжение.
kLa — объёмный коэффициент массопередачи кислорода (ч−1). Определяет скорость переноса кислорода из газовой фазы в жидкую: OTR = kLa · (C* − CL). Недостаточный kLa приводит к кислородному голоданию клеток и снижению продуктивности.
При геометрическом подобии и увеличении объёма V в N раз линейные размеры растут в N1/3 раз. Одновременное сохранение, например, P/V и окружной скорости при одинаковом Di/DT невозможно: P/V = const требует снижения оборотов, а постоянство окружной скорости — ещё большего снижения, что уменьшает P/V. Приходится выбирать приоритетный критерий.
Нет механических уплотнений вала — снижен риск контаминации и упрощена стерилизация. Низкое сдвиговое напряжение — подходит для чувствительных культур. Равномерное перемешивание. Недостаток: менее эффективный массоперенос в вязких средах по сравнению с STR.
Для промышленных микробных ферментёров (объём более 1500 л) P/V обычно составляет 1–3 кВт/м3. Для клеточных культур — значительно ниже: 0,01–0,1 кВт/м3. При масштабировании от лабораторного масштаба сохранение высокого P/V затруднено из-за ограничений мощности привода.
Без бафлов жидкость вращается вместе с мешалкой (твердотельное вращение) — перемешивание практически отсутствует. Бафлы (4 штуки, шириной ~1/10 диаметра) разрушают тангенциальный поток, создавая радиальные и осевые потоки, что резко увеличивает эффективность перемешивания и массопереноса.
Безразмерный критерий, связывающий потребляемую мощность с параметрами мешалки: P = NP · ρ · N3 · Di5. Для турбины Раштона NP ≈ 5, для наклонных лопастей ≈ 1,3, для морского винта ≈ 0,3. Значения постоянны при Re > 104 (турбулентный режим в полностью бафлированном сосуде).
AISI 316L (российский аналог 08Х17Н13М2Т по ГОСТ 5632-2014) — для контактирующих с продуктом поверхностей. AISI 304L (08Х18Н10) — для наружных элементов. Внутренняя поверхность полируется до Ra ≤ 0,8 мкм для предотвращения застойных зон и облегчения мойки/стерилизации.
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Материалы не являются проектной документацией и не заменяют расчёты квалифицированных специалистов.
Автор и правообладатель не несут ответственности за последствия использования информации для проектирования, выбора или эксплуатации биореакторного оборудования.
1. Shuler M.L., Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts. 2nd ed. — Prentice Hall, 2002.
2. Doran P.M. Bioprocess Engineering Principles. 2nd ed. — Academic Press, 2013.
3. Nienow A.W. Reactor Engineering in Large Scale Animal Cell Culture // Cytotechnology. — 2006. — Vol. 50. — P. 9–33.
4. Van’t Riet K. Review of Measuring Methods and Results in Nonviscous Gas-Liquid Mass Transfer in Stirred Vessels // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. — 1979. — Vol. 18. — P. 357–364.
5. Xia J. et al. A Practical Approach in Bioreactor Scale-Up and Process Transfer Using a Combination of Constant P/V and vvm // Biotechnol. Prog. — 2017. — Vol. 33. — P. 1146–1159.
6. ГОСТ 34347-2017. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.
7. ГОСТ 5632-2014. Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
8. Bates R.L., Fondy P.L., Corpstein R.R. An Examination of Some Geometric Parameters of Impeller Power // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. — 1963. — Vol. 2. — P. 310–314.
9. DECHEMA e.V. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Recommendations for Process Engineering Characterisation. — Frankfurt, 2020.
10. Виестур У.Э., Кузнецов А.М., Савенков В.В. Биотехнология: биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.