Концептуальные основы идеального биореактора

^ ТЕМА НОМЕРА

НОВОЕ ОБОРУДОВАНИ { для совреме!

техно.

УДК 66.31

Концептуальные основы идеального биореактора

Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств А. Н. Вабищевич, канд. техн. наук, доцент Белорусский государственный аграрный технический университет

Конструктивное развитие технологического оборудования традиционно осуществляют с учетом общепринятых критериев технического совершенства новой техники. К таким критериям, предъявляемым к любому технологическому оборудованию и свидетельствующим об уровне его конструктивного совершенства, относят технико-экономические и эксплуатационные показатели, в частности: технологическую эффективность, надежность, долговечность, энергоэкономичность, технологичность, материалоемкость, безопасность, бесшумность, эргономичность, эко-логичность.

Помимо перечисленных общетехнических критериев, отдельные виды технологического оборудования должны удовлетворять ряду дополнительных специальных требований, обусловленных особенностями технологических процессов и специфи-

ческими свойствами перерабатываемых сред.

Применительно к биореакторам как обособленной разновидности технологического оборудования к таким специальным требованиям, например, относят обеспечение асептики.

Современный технический уровень биореакторов, достигнутый в ходе их постепенного конструктивного развития с применением традиционных методов и средств, в основном позволяет обеспечивать вышеупомянутые показатели на определенном, достаточно высоком уровне.

Однако дальнейшее, причем радикальное совершенствование биореакторов, обеспечивающее кардинальное, скачкообразное улучшение их функциональных показателей, невозможно без использования принципиально иных, оргигинальных технических решений, идущих зача-

стую вразрез с традиционными представлениями.

Такой инновационный подход к конструктивному совершенствованию биореакторов представляется возможным только при ориентации в работе на идеальную модель биореактора. Принцип идеализации предполагает абстрагирование от известных технических решений и учитывая специфику осуществляемого технологического процесса и его известных проблем, формулирование гипотетических требований, предъявляемых к конструкции биореактора (или отдельных его систем), в таком виде, при котором его функциональные показатели приближались бы к теоретически возможным предельным значениям [1].

Предваряя раговор об идеальном моделировании техники, уместно припомнить одну авиастроительную байку. Как-то на одном из технических совещаний авиаконструкторы заявили разработчикам авиадвигателей:

- «Нам ваши двигатели не нужны!»

- «Как???» - опешили те.

- «Нам нужна тяга ...»

Вот простой и яркий пример идеального моделирования - полное абстрагирование от реалий и выдвижение ясных и конкретных требований.

Разумеется, декларирование принципов идеального решения выявлен-

ных проблем не гарантирует создание идеальной конструкции биореактора, но способствует более четкому определению конечных ориентиров, лучшему пониманию технических задач и созданию эвристических предпосылок к целенаправленному поиску эффективных инженерных решений при совершенствовании биореактора. «Идеал - путеводная звезда. Без нее нет направления...» -полагал Л.Н. Толстой (1928-1910).

Поиск идеальных решений можно осуществлять как параллельно, так и последовательно, причем в последнем случае иногда одни эффективные технические решения влекут за собой последующие удачные решения других проблем.

Анализируя характерные функциональные проблемы, присущие традиционным биореакторам, и предлагая идеальные методы и средства, направленные на их устранение, можно сформулировать требования к идеальному, гипотетическому биореактору.

Поиск идеальных решений проблем при совершенствовании биореакторов целесообразно вести в двух направлениях - применительно к биосинтетическим и биокаталитическим процессам.

Биосинтетические процессы основаны преимущественно на биологических процессах, осуществляемых внутри живых клеток при их культивировании. При этом под действием внутриклеточных ферментных систем там протекает в определенной последовательности множество биохимических реакций, в результате которых происходит биосинтез целевых биологических продуктов - биомассы живых организмов и /или продуктов их жизнедеятельности.

Культивирование микроорганизмов занимает наиболее важное ме-

сто в микробиологических производствах, поскольку на этой стадии происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов биосинтеза (биомассы, эндо- и экзометаболи-тов). Вследствие этого культивирование является основной, наиболее продолжительной и тонкой стадией биотехнологического производства, в наибольшей степени определяющей его количественные и качественные показатели.

Микроорганизмы, будучи живыми объектами, являются важнейшим «партнером» биотехнолога, причем «жизненные интересы» микробной клетки диаметрально противоположны производственным интересам биотехнолога. Так, биотехнолог в первую очередь заинтересован в накоплении биомассы или продуктов метаболизма, в то время как для микроорганизмов продукты их жизнедеятельности токсичны, и поэтому они стремятся, наоборот, количество их минимизировать, в частности, избавиться от них, выделяя наружу.

Для микробной клетки имеет значение лишь потребление питательных веществ с целью получения энергии для продолжения своего существования и образования клеточной биомассы.

Поскольку количество и качество получаемых биологических продуктов в значительной степени зависит от вида, состояния продуцентов и их жизнедеятельности, роль биотехнолога на производстве сводится к тому, чтобы подобрать наиболее активную и продуктивную культуру микроорганизмов, а также обеспечить оптимальные условия для ее жизнедеятельности, целенаправленно и эффективно управляя факторами, которые регулируют их обмен веществ.

Так как биологические процессы заимствованы человеком напрямую из живой природы, то, очевидно, и при определении идеальной модели биореактора целесообразно поискать его прообраз в природных объектах. А поскольку, как известно, процессы биосинтеза осуществляются непосредственно внутри клетки - саморегулирующейся живой системе, то она, являясь по своей сути естественным биосинтезатором, и может быть выбрана в качестве прототипа при создании модели идеального биореактора.

Исходя из этих соображений и учитывая достигнутые к настоящему времени реальные возможности техники и технологии, представляется целесообразным создать две различные модели идеального биореактора, в которых прямо или косвенно осуществляются биосинтетические процессы.

Первая, назовем ее моделью суперидеального биореактора, представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризовать как «искусственная клетка». Совокупность требований к суперидеальному биореактору формируют на основе теоретических знаний об организации, строении и функционировании клетки как живой системы, и представлений об идеальной реализации этих системных закономерностей в искусственной, технической системе. В таком идеальном биореакторе, как и в самой живой клетке, должны быть созданы условия для непосредственного осуществления биосинтетических процессов.

Общие закономерности организации, строения и функционирования живой клетки как системы, связанные с ними проблемы, препятствующие реализации такой конструкции, и требования к их идеальному решению рассмотрены в табл. 1.

К созданию модели идеального биореактора для бесклеточной биотехнологии

Таблица 1

№№ п / п Функциональные проблемы биореактора для бесклеточной биотехнологии Требования к идеальному решению проблемы

1. Биосинтез осуществляется при участии соответствующего генетического материала. В реакционном пространстве биореактора должен присутствовать и удерживаться определенный генетический набор очищенных клеточных компонентов, содержащих необходимый генетический материал в виде информационной РНК, транспортной РНК, белоксинтезирующих частиц рибосом и некоторых белковых факторов

2. Биосинтез осуществляется при наличии веществ, необходимых для образования новых соединений. Необходимо обеспечить непрерывный подвод в реакционное пространство биореактора так называемого строительного материала в виде набора аминокислот

3. Постоянная посотребность в химической энергии для осуществления синтеза белка. Необходимо обеспечить непрерывный подвод в реакционное пространство биореактора энергии в форме аденозинтрифосфата

4. Накопление синтезируемого целевого продукта. Необходимо обеспечить непрерывное выведение из реакционного пространства биореактора образующихся продуктов

5. Образование избыточных тепловыделений. Необходимо обеспечить термостабилизацию процессов в реакционном пространстве биореактора на оптимальном уровне

6. Сложность управления процессом биосинтеза белка. Необходимо обеспечить условия для саморегулирования процессов биосинтеза в биореакторе в зависимости от изменения внешних факторов

Другая модель идеального биореактора, предназаначенного для культивирования клеточных организмов, представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризо-

Таблица 2

К созданию модели идеального биореактора для культивирования микроорганизмов

№№ п / п Функциональные проблемы биореактора при культивировании микроорганизмов Требования к идеальному решению проблемы

1. Необходимость многостадийной (грубой, тонкой, бактериальной) очистки воздуха, подаваемого в биореактор для аэрации среды Обеспечить условия для аэрации среды в биореакторе атмосферным воздухом без его предварительной очистки

2. Необходимость очистки отработавшего воздуха на выходе из биореактора Обеспечить условия для удаления газовых выбросов из биореактора непосредственно в атмосферу без очистки

3. Накопление образующихся продуктов метаболизма в биореакторе оказывает токсичное влияние на культуру, замедляя ее рост и развитие Обеспечить непрерывное выведение из биореактора образующихся продуктов метаболизма

4. Наряду с целевым биологическим продуктом при культивировании образуются балластные вещества и побочные продукты, что требует последующих затрат на выделение и очистку целевого продукта. Обеспечить условия для целенаправленного биосинтеза целевого продукта

5. Неоднородность среды во всем реакционном объеме биореактора, способствующая образованию застойных зон Обеспечить одинаковые показатели (температуры, рН, концентраций и пр.) во всем объеме культуральной среды

6. Неравномерность тепловыделений в разных фазах развития микроорганизмов Обеспечить условия для возможности отвода максимальных тепловыделений

7. Возможность перегрева культуры при отклонении от заданной температуры процесса вследствие инерционности системы теплообмена Обеспечить условия для термостабили-зации процесса с синхронизацией образования и отвода теплоты в биореакторе

8. Чувствительность биологических объектов к гидродинамическим и механическим воздействиям Обеспечить условия для минимизации гидродинамических и механических воздействий в биореакторе ниже уровня чувствительности культуры

9. В процессе культивирования происходит пенообразование среды. Обеспечить условия, при которых не происходит пенообразование среды.

10. Снижение удельного энергопотребления Обеспечить потребление энергии только на осуществление необходимых технических задач, исключив все виды энергопотерь

11. Возможность контаминации процесса Обеспечить асептические условия про-цесса

12. Необходимость надежной герметизации в уплотнительном устройстве вала перемешивающего устройства Обеспечить передачу крутящего момента от электропривода в полость биореактора бесконтактным способом.

13. Повышенная вместимость и, следовательно, громоздкость промышленных биореакторов Обеспечить максимально возможную продуктивность процесса -выход целевого продукта с единицы объема культуральной среды, способствующую уменьшению рабочей вместимости биореактора и его габаритов

Таблица 3 К созданию модели идеального биокаталитического реактора

№№ п / п Функциональные проблемы биокаталитического реактора Требования к идеальному решению проблемы

1. Наилучшее функционирование биокатализаторов происходит в строго определенных условиях Обеспечение оптимальных условий для действия биокатализаторов

2. Ингибирование ферментов образующимися продуктами биокатализа Обеспечение бесперебойного выделения из биореактора образующихся продуктов биокатализа

3. Неполное использование ферментов, которые, как правило, в рабочем цикле не исчерпывают полностью свой ресурс Обеспечение условий для полного использования ферментов - до исчерпания их ресурса.

4. Необходимость отделения ферментов от продуктов биокатализа по окончании рабочего цикла Обеспечение условий для непрерывной работы ферментов

5. Возможность потерь ферментов с выводимыми из биореактора продуктами биокатализа и отходами процесса Обеспечение условий удержания ферментов в реакционном пространстве биореактора

6. Чувствительность биологических объектов к гидродинамическим и механическим воздействиям Обеспечение минимизации гидродинамических и механических воздействий в биореакторе ниже уровня чувствительности биокатализаторов

7. Неоднородность среды во всем объеме биореактора, возможность образования застойных зон Создание условий для обеспечения одинаковых показателей среды (температуры, рН, концентраций и пр.) во всем ее объеме.

8. Снижение удельного энергопотребления Обеспечение расхода энергии только на осуществление необходимых технических задач, исключив все виды потерь

9. Возможность контаминации процесса Обеспечение асептических условий процесса.

10. Образование негидролизуемых фракций сырья Обеспечение бесперебойного удаления из биореактора негидролизуемых фракций сырья

11. Чувствительность биокатализаторов к окислению функциональных групп белков Обеспечение процесса в герметичных условиях без контакта биокатализатора и технологических сред с воздухом

Перечисленные требования следует дополнить некоторыми другими, предъявляемыми ко всем типам биореакторов. Эти требования направлены, например, на минимизацию

удельного энергопотребления, предотвращение контаминации среды и пр. и сформулированы при разработке моделей идеальных биореакторов, описанных ниже.

вать как «естественный биореактор в искусственном». Такие биореакторы, как рукотворные технические системы, лишь косвенно принимают учатие в биосинтетических процессах, функционально ограничиваясь лишь обеспечением самых благоприятных условий для жизнедеятельности живых организмов, рассматриваемых в свою очередь в качестве естественных «нанобио-реакторов», в которых собственно и осуществляются процессы биосинтеза [2, 3].

Совокупность требований к идеальному биореактору для культивирования клеточных организмов формируют на основе аналитического обзора характерных, принципиальных проблем, присущих реальным биореакторам, и представлении об идеализации их возможных решений.

Проблемы, препятствующие реализации такой конструкции, предназначенной для культивирования микроорганизмов, и требования к их идеальному решению рассмотрены в табл. 2.

Биокаталитические процессы основаны на применении выделенных из живых организмов биологически активных веществ - ферментов, биокаталитическая способность которых позволяет перерабатывать практически любые виды органического сырья в те или иные биологические продукты с полезными потребительскими свойствами.

Биокаталитические реакторы во многом подобны традиционным химическим реакторам, представляющим собой емкостное оборудование с системами теплообмена и перемешивания. Таким образом, модель идеального биокаталитического реактора должна представлять собой кострукцию, в которой обеспечиваются наилучшие условия для биокаталитического действия ферментов. Кроме того, поскольку биокатализаторы лишь ускоряют биохимические процессы, но сами не являются расходными реакционными агентами, то в идеальном биокаталитическом реакторе необходимо обеспечить условия для максимально возможного сохранения ферментов в активном состоянии, минимизируя их потери как количественные (объемные), так и от различных видов инактивации вследствие неблагоприятных воздействий (тепловых, физико-механических, гидродинамических и пр.).

Проблемы, препятствующие реализации такой конструкции, и требования к их идеальному решению рассмотрены в табл. 3.

Таким образом, оборудование для ферментативной обработки сырья с применением промышленных ферментных препаратов можно отнести к биокаталитическим реакторам, функционирующим на основе экзоферментов.

Однако в пищевых производствах, в которых осуществляют переработку мяса или рыбы, существуют некоторые виды оборудования, которые по сути происходящих в них процессов созревания продукта также можно причислить к биокаталитическим биореакторам, хотя они и не обладают явными признаками последних. Активными биологическими объектами в таких процессах являются эндоферменты - собственные ферменты, изначально образующиеся и содержащиеся в животном сырье. В результате действия этих ферментов при созревании продукта происходит автолиз - самопроизвольные биохимические процессы, в результате которых происходит изменение свойств продукта.

Созревание животной продукции обычно сочетают с другими видами обработки, например, посолом или копчением. В этом случае ферментативные процессы сопровождаются массообменными, в результате которых соль и продукты горения насыщают мясо или рыбу, очеспечивая, во-первых, определенную степень консервации готовой продукции, а, во-вторых, дополнительно содействуя улучшению органолептических качеств продукта, придавая ему тот или иной своеобразный оттенок вкусового профиля.

Таким образом, аппараты для копчения и посола животного сырья можно условно отнести к биокаталитическим реакторам, функционирующим на основе эндоферментов.

Итак, при конструктивном совершенствовании биореакторов целесообразно использовать принцип идеального моделирования, позволяющий наметить четкие конечные ориентиры и способствующие созданию эвристических предпосылок при целенаправленном поиске эффективных инженерных решений.

В этом разделе наиболее важными являются следующие положения:

Первое. Совокупность требований к идеальной модели биореактора представляет собой открытую систему, которая не исчерпывется однажды сформулированными требованиями и может быть дополнена вновь выявленными проблемами и идеальными подходами к их решению.

Второе. Некоторые из требований к идеальной модели биореактора могут как исключать друг друга, так и в силу своей идеальности быть практически недостижимы, но тем не менее они способствуют приближению конструкторской разработки к наивысшей степени технического совершенства биореактора.

Третье. Модель суперидеального биореактора представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризовать как «искусственная клетка». В таком идеальном биореакторе, как и в самой живой клетке, должны быть созданы наилучшие условия для существования и взаимодействия искусственно выделенных клеточных компонентов при непосредственном осуществлении биосинтетических процессов.

Четвертое. Другая модель идеального биореактора представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризовать как «естественный биореактор в искусственном». Такие биореакторы как технические системы лишь косвенно принимают учатие в биосинтетических процессах, функционально ограничиваясь лишь обеспечением самых благоприятных условий для жизнедеятельности живых организмов, рассматриваемых в свою очередь в качестве естественных «нанобиореакторов», в которых собственно и осуществляются процессы биосинтеза.

Пятое. Модель идеального биокаталитического реактора должна представлять собой кострукцию, в которой, во-первых, обеспечены оптимальные условия для биокаталитического действия ферментов, а, во-вторых, созданы наилучшие условия для наиболее полного их сохранения как в количественном, так и в функциональном, активном состоянии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдеев, Н.Е. Проблема идеального технологического потока. - Теоретические основы пищевых технологий: в 2-х книгах. Книга 1/Г.Е. Авдеев; отв. редактор В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2009. - 608 с.

2. Федоренко, Б. Н. Промышленная биоинженерия/Б. Н. Федоренко. - СПб.: Профессия, 2016. - 516 с.

3. Федоренко, Б. Н. Адаптация биотехники к наномолекулярным биомембранным технологиям/ Б. Н. Фе-доренко // Материалы международной конференции «Биология - наука XXI века»: Москва, 24 мая 2012 г./Ред.Р. Г. Василов. - М.: МАКС Пресс, 2012. - 1125 с.

Концептуальные основы идеального биореактора Ключевые слова

биореактор; биосинтез; биокатализ; модель Реферат

Радикальное совершенствование биореакторов, обеспечивающее кардинальное, скачкообразное улучшение их функциональных показателей, возможно с использованием принципиально новых, оригинальных технических решений, идущих вразрез с традиционными представлениями, что возможно при ориентации в работе на идеальную модель биореактора. Исследования проводились совместно ведущими учеными ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» и Белорусского государственного аграрного технического университета. В работе описан принцип идеального моделирования биореакторов, позволяющий наметить четкие конечные ориентиры и способствующий созданию эвристических предпосылок при целенаправленном поиске эффективных инженерных решений при конструктивном совершенствовании биотехники для биосинтетических и биокаталитических процессов. Для биоситетиче-ских процессов предложены две модели. Первая модель суперидеального биореактора представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризовать как «искусственная клетка». В таком идеальном биореакторе, как и в самой живой клетке, должны быть созданы наилучшие условия для существования и взаимодействия искусственно выделенных клеточных компонентов при непосредственном осуществлении биосинтетических процессов, которые сопровождаются непрерывным подводом в биореактор энергии в форме аденозинтрифосфата и гаунозинатрифосфата и веществ, необходимых для образования новых соединений. Другая модель идеального биореактора для культивирования клеточных организмов, представляет собой тип, который можно концептуально охарактеризовать как «естественный биореактор в искусственном». Такие биореакторы как технические системы лишь косвенно принимают участие в биоситетических процессах, функционально ограничиваясь лишь обеспечением самых благоприятных условий для жизнедеятельности живых организмов, рассматриваемых, в свою очередь, в качестве естественных «нанобиореакторов», в которых собственно и осуществляются процессы биосинтеза. Для биокаталитических процессов предложена модель идеального биореактора, в котором обеспечиваются наилучшие условия для биокаталитического действия экзоферментов и сохранения их в активном состоянии в течение продолжительного времени. Сформулированы функциональные проблемы и требования к конструктивному устройству идеальных биореакторов для биосинтетических и биокаталитических процессов. Авторы

Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор,

Московский государственный университет пищевых производств, 125080,

Москва, Волоколамское шоссе, 11, borisfedorenko@gmail.com

Вабищевич Антон Григорьевич, канд. техн. наук, доцент,

Белорусский государственный аграрный технический университет, 220023,

Минск, проспект Независимости, д. 99.

Conceptual Bases of an Ideal Bioreactor Key words

bioreactor, biosynthesis, biocatalyst, model Abstracts

Radical improvement of bioreactors, providing a fundamental, abrupt improvement in their functional parameters, it is possible with the use of innovative, original technical solutions, contrary to traditional views, it is possible for the orientation of the work on the ideal model of a bioreactor. The studies were conducted jointly by leading scientists Moscow State University of Food Production and the Belarusian State Agrarian Technical University. The paper describes the principle of the ideal modeling of bioreactors which allows the final set clear guidelines and contribute to the creation of preconditions heuristic targeted at finding effective engineering solutions for constructive improvement of biotechnology for biosynthetic and biocatalytic processes. For biosynthetic processes offered two models. The first model superidealnogo bioreactor is a type that can be conceptually described as «artificial cell». This ideal bioreactor as in most living cells, should be the best conditions for the existence of and interactions artificially isolated cellular components with the direct implementation of the biosynthetic processes that are accompanied by a continuous supply of energy bioreactor in the form of adenosine triphosphate and gaunozin triphosphate and substances required for the formation of new compounds. Another model of an ideal bioreactor for culturing cellular organisms, is a type that can be conceptually described as a «natural bioreactor in an artificial». Such bioreactors as a technical system only indirectly participate in biosynthetic processes functionally limited to only providing the most favorable conditions for the life of organisms considered, in turn, as a natural «nano-bioreaktors», which actually made biosynthetic processes. Biocatalytic processes for the model of an ideal bioreactor that provides the best conditions for biocatalytic action exoenzymes and store them in an active state for a long time. Formulated functional problems and requirements for a constructive device ideal bioreactors for biosynthetic and biocatalytic processes.

Authors

Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor, Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoye Shosse, Moscow, 125080, borisfedorenko@gmail.com

Vabischevich Anton Grigoryevich, Candidate of Technical Science, Docent Belarusian State Agrarian Technical University, 99, Prospekt Nezavisimosti, Minsk, 220023.

НИН И CT E PCT В О СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ

АГЕНТСТВО

I V. \t-l' м инвестиции ОМСКОМ ОБЛАСТИ

/ là

Сибирская

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ

НЕДЕЛЯ

24-26 ноября 2016 г.

Передовые технологии в сфере сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности

Сельскохозяйственное оборудование, техника Продукты питания и напитки Услуги для АПК Сельское подворье для посетителей

Омск, ул. 70 лет Октября, 25/2, ОБЛАСТНОЙ ЭКСПОЦЕНТР

3

s

I

www.arvd.ru

(3812)40-80-09