Аэробные и анаэробные биореакторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Аэробные и анаэробные биореакторы

Введение

Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в значительной мере определяется отношением микроорганизма-продуцента к кислороду. При использовании аэробных культур ферментационное оборудование и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен (перенос кислорода из газовой в жидкую фазу) обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста.

Промышленное использование факультативных анаэробов не ставит задачи абсолютного исключения кислорода из среды, поэтому процессы этого типа (брожение) технологически проще аэробных. В начальной фазе этих процессов требуется лишь удалить кислород из газовой фазы над культуральной жидкостью, что может быть достигнуто введением инертного газа или просто вытеснением воздуха углекислотой, выделяемой клетками при метаболизме.

Технологическое оформление строго анаэробных процессов сложнее, чем для процессов брожения, так как в этом случае необходимо полностью исключить возможность попадания кислорода в газовую, а оттуда и в жидкую среду. В процессе приготовления ферментированных кормов одной из стадий является первичная ферментация, в результате которой получают, в так называемых первичных ферментерах, жидкую рабочую закваску.

1. Классификация способов ферментации и ферментеров

Ферментация - это совокупность процессов, результатом которых является культуральная жидкость [6].

Ферментация (культивирование) может протекать как в аэробных, так и в анаэробных условиях (рис. 1).

Рисунок 1 - Классификация процессов ферментации

Аэробное культивирование применяют в тех случаях, когда в процессе задействованы аэробные микроорганизмы-продуценты. Аэрацию смеси осуществляют подачей воздуха или других газов через газоподводящие трубки, форсунки и т.д.

Анаэробные процессы протекают в герметичных емкостях либо посредством продувания культивируемой среды инертными газами. Конструкция ферментера при анаэробной ферментации проще, чем при аэробной [4].

Анаэробный ферментер - anaerobic digester, anaerobic reactor - биореактор, предназначенный для оптимизации анаэробной ферментации; широко используется для обработки отходов с высоким содержанием твёрдых веществ, например навоза, городских стоков и др.

Аэробный ферментер - aerobic reactor - биореактор, обеспеченный системой аэрации для культуры аэробных организмов.

Рисунок 2 - Классификация ферментеров

Для каждого вида процесса ферментации разработаны различные конструкции ферментеров (рис. 2).

Так, например, разработаны аппараты аэробной поверхностной ферментации, которые широко применяются для производства органических кислот. Поверхностная жидкофазная ферментация протекает в бродильных вентилируемых камерах с размещенными на стеллажах кюветами. В таких же камерах, но с размещенными на стеллажах лотками, в которые насыпают сыпучую твердую среду слоем 10…15 мм, проводят твердофазную ферментацию. С целью лучшей аэрации среды днище лотков выполнено перфорированным [6].

C целью интенсификации массо- и энергообмена клеток со средой разработаны аппараты аэробной глубинной ферментации. Но эти аппараты имеют более сложную конструкцию. С точки зрения конструктивных особенностей ферментеры различаются способами подвода энергии и аэрации среды [6]:

ферментеры с подводом энергии к газовой фазе;

ферментеры с подводом энергии к жидкой фазе;

ферментеры с комбинированным подводом энергии (рис. 2).

В ферментерах с подводом энергии к газовой фазе аэрация и перемешивание субстрата происходит сжатым воздухом.

К таким аппаратам относятся:

барботажные ферментеры. Подача воздуха в них осуществляется через барботажные устройства, которые расположены в нижней части аппарата;

аппараты с диффузором. Смешивание субстрата с воздухом, который поступает по распределительным трубам, в данных ферментерах происходит в нижней части аппарата посредством внутреннего цилиндр-диффузора;

трубчатые ферментеры. Под действием потока воздуха жидкость циркулирует по реактору и сепаратору;

ферментеры с форсуночным распределением воздуха. Воздух в таких ферментерах подается через форсунки, расположенные в нижней части аппаратов;

ферментеры колонного типа выполнены в виде цилиндрической колонны, которая разделена горизонтальными перегородками на несколько секций. В таких устройствах воздух барботирует через слой жидкости каждой тарелки, за счет движения жидкости через кольцевую щель обеспечивается противоточное движение двух фаз - газовой и жидкой.

К ферментерам с подводом энергии к жидкой фазе относятся:

аппараты с самовсасывающей турбиной состоят из цилиндрического диффузора и мешалки с полыми лопастями и валом. При вращении мешалки создается разрежение, которое приводит к подъему жидкости в кольцевом зазоре между диффузором и стенками аппарата с последующим ее возвращением в диффузор;

ферментер с турбоэжекторными перемешивающими устройствами. Эти устройства разделены вертикальными перегородками на несколько секций. В каждой секции имеется эжектор и диффузор. Перемещение жидкости из одной секции в другую происходит через окна в перегородках.

Ферментеры с комбинированным подводом энергии представляют собой цилиндрический сосуд, внутри которого расположена механическая мешалка и барботер. В аппаратах этого типа подвод энергии к газовой фазе осуществлен для аэрации, а к жидкой фазе - для перемешивания. Перемешивание в данных ферментерах осуществляется тремя способами.

Аппараты с механическим перемешиванием снабжены механической мешалкой. Аэрация осуществляется путем барботажа. С целью разбрызгивания воздуха рядом с барботером установлен механический вибратор.

Аппараты с пневматическим перемешиванием. Перемешивание и аэрацию усиливают с помощью вращающихся дисков с отверстиями или придонных пропеллеров. Такие аппараты могут быть также дополнены диффузором.

В аппаратах с циркуляционным перемешиванием жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Движение субстрату придает насос или другое аналогичное устройство. Ферментеры выполнены в виде цилиндра.

2. Устройство ферментера

Обычно ферментер изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов. Все используемое оборудование, материалы и воздух должны быть стерильными. Оборудование стерилизуют паром под давлением. Пар должен иметь доступ ко всем поверхностям, которые в свою очередь должны быть гладкими и отполированными, насколько это возможно, и не иметь трещин и неровностей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Среду стерилизуют перед инокуляцией, пропуская пар через систему охлаждения. Воздух стерилизуют путем фильтрации (рис. 3).

3. Принцип действия, схема

Аэробное культивирование - аэрация среды - непременное условие в тех микробиологических процессах, в которых используются аэробные микроорганизмы-продуценты.

Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от окисляемого источника углерода и от физиологических свойств и активности роста микроорганизмов. Для биосинтеза 1 кг дрожжевой биомассы необходимо, например, 0,74-2,6 кг молекулярного кислорода. При интенсивном потреблении субстрата независимо от источника углерода продуцент ассимилирует 0,83-4,0 мг кислорода/1 л среды/мин.

Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов. При давлении 0,1 МПа и температуре 30°С в 1 л дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7,5 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода колеблется в интервале 2-5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5-2 мин.

При глубинном культивировании запасы кислорода в питательной среде возобновляются при подаче аэрирующего воздуха. Скорость абсорбции кислорода увеличивается с ростом интенсивности перемешивания среды.

Во время роста биомассы микроорганизмы обычно потребляют больше кислорода, чем во время сверхсинтеза целевого метаболита. Принято говорить о критической концентрации кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток. Для большинства аэробных микроорганизмов, растущих в сахаросодержащих субстратах, критическая концентрация кислорода 0,05-0,10 мг/л, что соответствует 3-8% от полного насыщения среды кислородом. Лимитация роста и физиологической деятельности клеток наблюдается при более высоких концентрациях кислорода: на средах с глюкозой рост дрожжей лимитируется при рО₂ на уровне 20-25% от полного насыщения.

Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода 50-60% от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов - 10-20%.

Анаэробные процессы биологического окисления у гетеротрофных микроорганизмов в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, делят на три группы: дыхание (акцептор - кислород); брожение (акцептор - органическое вещество) и анаэробное дыхание (акцептор - неорганическое веществ: нитраты, сульфаты и др.).

У облигатных анаэробов брожение является единственно возможным способом получения энергии; у факультативных анаэробов оно составляет обязательную первую стадию катаболизма глюкозы, за которой может следовать аэробное окисление образовавшихся продуктов, если в среде присутствует кислород.

Обособленной промежуточной группой являются аэротолерантные микроорганизмы, получающие необходимую для жизнедеятельности энергию в анаэробном процессе, т.е. на уровне субстратного фосфорилирования, и одновременно имеющие дыхательную цепь для поглощения кислорода среды и создания благоприятных анаэробных условий. Данный эффект носит название «эффекта дыхательной защиты».

Примерами облигатно анаэробных процессов являются маслянокислое и метановое брожения. Универсальным для всех микроорганизмов, за небольшими исключениями, является катаболизм глюкозы - гликолиз до образования пирувата:

Глюкоза + 2АТР + 2 NAD = 2 Пируват + 4АТР + 2NADH + 2Н+

Возбудители спиртового брожения (дрожжи) после декарбоксилирования пирувата и образования ацетальдегида восстанавливают ацетальдегид до этанола. Молочнокислые бактерии гомогенного молочнокислого брожения восстанавливают пируват до молочной кислоты. Гетероферментативные молочнокислые бактерии сбраживают глюкозу по несколько отличающемуся пентозофосфатному пути с образованием молочной кислоты, а также уксусной кислоты, этанола и диоксида углерода.

Анаэробные условия на производстве создают герметизацией аппаратуры, продуванием среды инертными газами, в том числе газообразными продуктами, образовавшимися во время ферментации. Отсутствие необходимости аэрации среды несколько упрощает при анаэробной ферментации конструкцию ферментера (биореактора) и облегчает управление процессом.

4. Эксплуатация, применение

Изготовление силоса - традиционный анаэробный процесс ферментации, который применяется на фермах. Он позволяет сохранить питательную ценность травы для кормления сельскохозяйственных животных, в особенности молочного скота, в зимнее время. На поверхности травы содержится природная популяция молочнокислых бактерий, таких как Lactobacillus. После покоса траву измельчают и загружают в большой «бункер»; позднее для этого стали использовать большие тюки, обернутые черным пластиком. Бактерии утилизируют природные сахара, содержащиеся в траве, такие как глюкоза, фруктоза, сахароза, в качестве источника энергии для анаэробного дыхания (традиционная ферментация) и превращают их в молочную кислоту. Основным продуктом является молочная кислота, однако при ферментации образуются и другие вещества, которые придают силосу вкус и аромат. В процессе брожения рН снижается почти до 4. При таких низких значениях рН подавляется активность гнилостных бактерий которые, в противном случае могут полностью сгноить траву и снизить ее питательную ценность. В процессе ферментации температура может сильно повышаться, поэтому бактерии должны быть термоустойчивыми. Следует избегать загрязнения бактериями Listeria, которое может привести к сепсису или рождению мертвых детенышей у сельскохозяйственных животных. Загрязнение предотвращается, если обеспечить условия для активной ферментации и рН ниже 5,5 [12].

Глубинное культивирование аэробных микроорганизмов используется в промышленности для выращивания обогащенной белком биомассы клеток, используемой, например, в качестве кормовых добавок к рациону животных и птиц, а также при последующем получении аминокислот, витаминов и других биологически активных веществ. Такие процессы создают возможности получения целевых продуктов с помощью доступных и возобновляемых ресурсов при достаточно низком энергопотреблении [10].

Традиционное выращивание дрожжей в спиртовом производстве осуществляется в анаэробных условиях при относительно низких скоростях роста и повышенном удельном расходе субстрата. Расход субстрата на дрожжегенерацию при этом составляет до 5% всех сбраживаемых Сахаров, содержащихся в среде. Анаэробное культивирование дрожжей осуществляют поэтапно путем их размножения во всевозрастающих количествах сусла и пересевом активно бродящих дрожжей из меньших объемов в большие [1].

Предприятия агропромышленного комплекса и пищевой промышленности являются источниками мощного антропогенного воздействия на экосистемы и окружающую среду. Среди этих органических загрязнений особо выделяются в качестве наиболее крупнотоннажных - отходы животноводства, а именно навоз крупного рогатого скота и свиней, а в качестве наиболее экологически опасных - жидкий куриный помет.

Животноводческие предприятия постоянно сталкиваются с проблемой утилизации и переработки больших масс экскрементов. Существующие мероприятия по утилизации биологических отходов характеризуются значительными капитальными затратами и требуют существенных трудовых и энергетических затрат [2, 3].

Жидкие отходы обладают большей влажностью, высокой биологической активностью, содержат значительное количество бактерий, в том числе патогенных, всхожих семян сорняков, поэтому их переработка традиционными методами связана с большими затратами.

Одной из наиболее эффективных современных энерго- и ресурсосберегающих технологий переработки органических отходов является технология их метаногенного сбраживания с получением биогаза.

Эта технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами компостирования и аэробной обработки:

При аэробной очистке отходов образуется избыточный активный ил, в который переходит до 50% всей энергии исходного органического вещества, тогда как в анаэробных процессах до 90-95% всей энергии субстрата аккумулируется в виде биогаза (метана) с энергетической ценностью (2,2 - 2,7) * 10⁷Дж * м^-3, что делает его энергоносителем, пригодным для использования с получением электроэнергии и тепла [9].

Таким образом, отходы сельского хозяйства и особенно животноводства способны внести заметный вклад в структуру энергопроизводства на федеральном и региональном уровне [8, 11]. Требует внимания также вопрос рационального использования жидких отходов и сточных вод пищевой и перерабатывающей промышленности [5, 7].

Заключение

Тип ферментера (биореактора) для каждого биотехнологического процесса выбирают с учетом специфики продуцента, свойств среды и экономических соображений. Важное значение для аэробного процесса имеет система аэрации. При этом оценивают, с одной стороны, скорости поступления кислорода с жидкостью и его массопередачи от газовой фазы, с другой - скорости потребления кислорода микроорганизмами и его удаления с отработавшей жидкостью.

Список использованной литературы

1. Александровская Ю.П. Аэробное культивирование спиртовых дрожжей в биореакторе с мембранным аэрирующим устройством / дисс. канд. техн. наук. - Казань, 2004. - 173 с.

2. Биркин С.М., Антонов Н.М. Совершенствование схемы анаэробной переработки отходов животноводства / Вестник КрасГАУ. - 2009. - №4. - С. 197-202.

3. Животноводческие комплексы и охрана окружающей среды / Ю.И. Ворошилов, С.Д. Дурдыбаем, Л.Н. Елбанова [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991. - 107 с.

4. Свистунов А.И. Классификация способов ферментации и ферментеров / Вестник НГИЭИ. - 2013. - №10 (29). - с. 109-114.

5. Сироткин А.С. Биосорбционные технологии очистки сточных вод / А.С. Сироткин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №6. - С. 65-75.

6. Хабибуллин Р.Э. Энергетический потенциал сточных вод пищевых производств Республики Татарстан в процессе их анаэробной очистки / Р.Э. Хабибуллин [и др.] // Сб. тез. 2-го Межд. Конгресса-Партнеринга по биотехнологии и биоэнергетике «ЕвразияБио-2010». - М.:2010. - С. 201-202.

7. Хабибуллин Р.Э. Энерго- и ресурсосберегающая технология анаэробной переработки куриного помета / Р.Э. Хабибуллин, А.М. Петров // Материалы 5-й Межрег. Науч.-практ. конф. «Промышленная экология и безопасность». - Казань, 9 сентября 2010 г.

8. Хабибуллин Р.Э., Шарифуллин В.Н. Исследование процесса анаэробного сбраживания куриного помета и инженерная методика технологического расчета биореактора / Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С. 639-646.

9. Харитонова Л.Ю. Закономерности процесса культивирования аэробных микроорганизмов в одно- и двухсекционном биореакторе / дисс. канд. техн. наук. - Москва, 2003. - 184 с.

10. Холин К.В. Физико-химический и биохимический анализ биогазовых субстратов и их практическая значимость / К.В. Холин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. №2. С. 457-464.

Размещено на Allbest.ru