МИКРОБИОРЕАКТОР И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
MICROBIOREACTOR AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к биореакторам, преимущественно к микро- и минимасштабным биореакторам (или иначе микробиореакторам) с иммобилизованным на частицах ферментом и может быть использовано для проведения биотехнологических процессов в жидких средах, например, для проведения реакций в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ в фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен биореактор (ферментер) для аэробного выращивания микроорганизмов на жидких средах колонного типа с подводом энергии к газовой фазе (Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / Под ред. В.А. Быкова. М.: "ДеЛи принт", 2005, с.165-185) и подводом энергии к жидкой фазе (там же, с.185-193), а также с комбинированным подводом энергии (там же, с.193-214). Общей особенностью этих аппаратов наличие блоков перемешивания, аэрации и массопередачи кислорода и теплообмена. Вследствие того, что известные аппараты (биореакторы) имеют большой объем, энергия в них распределяется неравномерно. При использовании фермента, иммобилизованного на твердых частицах, происходит сосредоточение значительной доли этих частиц в застойных зонах, в результате чего доступ субстрата к их поверхности затрудняется, и эффективность аппарата снижается.
Наиболее близким к заявляемому является биокатализируемый проточный реактор (заявка 2010122385, 18.11.2008, МПК С12М 1/40 (2006.01), дата публикации заявки: 27.12.2011) со слоем, состоящий из корпуса реактора с внутренним пространством, соединенным с входом жидкости и соединенным с выходом жидкости, при этом во внутреннем пространстве находится слой, содержащий фермент ловастатин эстеразу, иммобилизованный на водонерастворимом твердом носителе, отличающийся тем, что фермент ковалентно связан с твердым носителем, активированным по меньшей мере бифункциональным связывающим агентом, причем твердый носитель таким образом связан с по меньшей мере бифункциональным агентом, что иммобилизованная ловастатин эстераза проявляет по меньшей мере в 5 раз большую гидролитическую активность к ловастатину и солям ловастатина в присутствии симвастатина и солей симвастатина, чем к симвастатину и солям симвастатина. Известный биореактор позволяет получать и/или очисщать симвастатин. Недостатком его является неэффективная массоотдача от поверхности частиц твердого носителя, обусловленная наличием застойных зон в точках контакта частиц. В результате только 30-40% поверхности частиц функционирует в полной мере, тогда как в зонах контакта частиц конвективная диффузия отсутствует, а молекулярная диффузия, обеспечивающая перенос на 2-3 порядка ниже, существенно лимитирует массоотдачу.
Известен способ эксплуатации биореакторов (Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / Под ред. В.А. Быкова. М.: "ДеЛи принт", 2005, с.125), заключающийся в подаче в аппарат необходимых компонентов питательной среды (соли, субстрат, вода), титрующего агента, аэрирующего газа и отбор суспензии из ферментера. Перемешивание осуществляется при помощи мешалки, струй жидкости или посредством барботирования газа.
К недостаткам известного способа относятся проблемы с равномерностью распределения вводимой энергии перемешивания по объему аппарата, неравномерность распределения концентрации и температуры по объему аппарата. Все это также приводит к снижению эффективность работы ферментатора.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете - в увеличении производительности аппарата за счет:
- увеличения равномерности распределения вводимой энергии по объему аппарата;
- обеспечения равной доступности поверхности твердых частиц с иммобилизованным ферментом;
- улучшения процесса диспергирования капель, пузырей;
- значительного повышения качества перемешивания внутри пузырей, капель и жидкостных снарядов.
Поставленная задача решается тем, что в микробиореакторе, содержащем корпус, соединительные патрубки, присоединенные к ним при помощи трубок насосы для подачи субстрата и вспомогательных веществ, согласно изобретению, в корпусе размещено распределительное устройство, параллельно расположенные каналы, имеющие периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, в каждый из каналов загружены твердые частицы с иммобилизованным ферментом, распределительное устройство состоит из камеры ввода субстрата и следующих за ней одной или нескольких камер ввода вспомогательных веществ, при этом в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ выполнено одно или несколько отверстий, причем каналы в верхней и нижней части снабжены решетками, диаметр отверстий в которых меньше диаметра твердых частиц, при этом в каждом из каналов размещены дополнительные решетки, установленные в сечениях с максимальной площадью.
Поставленная задача решается также тем, что в способе эксплуатации микробиореактора, заключающемся в подаче одним или несколькими насосами субстрата и вспомогательных веществ в корпус, согласно изобретению, субстрат с вспомогательными веществами подают с периодически изменяющимся по времени расходами, при этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают ниже скорости начала псевдоожижения, причем длительность интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней до верхней решетки, а длительность интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней до нижней решетки, максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают отрицательной.
Заявляемый микробиореактор и способ его эксплуатации позволяют повысить эффективность массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете увеличить производительности аппарата.
В качестве вспомогательных веществ могут выступать вещества в газообразном или в жидком состоянии. Минимальная скорость жидкости может быть как положительной, так и отрицательной.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
На фиг.1 представлена схема микробиореактора, на фиг.2 - общая принципиальная схема обвязки микробиореактора, реализующей предлагаемой способ. На фиг.3 изображен вариант исполнения трубчатой части корпуса микробиореактора. На фиг.4 показано движение элементов дисперсной среды (капель), сплошной среды (жидкостных снарядов) и твердых частиц с иммобилизованным ферментом. На фиг.5 показана временная диаграмма мгновенного расхода жидких сред в аппарате (на примере двухфазной системы - субстрата с одним вспомогательным веществом), на фиг.6 - зависимость от времени мгновенного объема жидкости (двухфазной системы), проходящей через сечение микробиореактора.
На фиг.1 изображен микробиореактор, содержащий корпус 1, соединительные патрубки 2-8 для подачи субстрата (патрубок 2) и вспомогательных веществ (патрубки 3, 4), отвода продуктов (патрубки 5, 6), подвода и отвода теплоносителя (патрубки 7, 8). К патрубкам при помощи трубок присоединены насосы (на фиг.1 условно не показаны). В корпусе 1 размещено распределительное устройство, состоящее из камеры 9 ввода субстрата и следующих за ней одной или нескольких камер 10 (на фиг.1 их две) ввода вспомогательных веществ. В корпусе 1 размещены также параллельно расположенные каналы (трубки) 11, имеющие периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, при этом в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ выполнено одно или несколько отверстий 12. Для обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании каналов (трубок) 11 в межтрубном пространстве корпуса 1 установлены поперечные перегородки 13. Каналы в верхней и нижней части снабжены решетками 14, диаметр отверстий в которых меньше диаметра твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом, загруженных в каждый из каналов 11 микробиореактора (на фиг.1 частицы условно показаны в одном из каналов).
В каждом из каналов 11 могут быть размещены дополнительные решетки 14, установленные в сечениях с максимальной площадью каналов. Это позволяет в необходимых случаях ограничить ход твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом и обеспечить их более равномерное распределение по длине каналов 11, а значит, и по рабочему объему аппарата.
На фиг.2 приведена общая принципиальная схема обвязки микробиореактора, включающая корпус 1 с каналами 11, насосы 16, соединенные трубками с трехходовыми управляемыми клапанами 17 и 18, реле времени 19, а также (при необходимости охлаждения либо дополнительного разделения фаз) промежуточную емкость 20. Насосы 16 устанавливаются на каждую из фаз - субстрат и дополнительные компоненты (на фиг.2 условно показан один насос), с последующим их смешением в распределительных камерах при диспергировании вспомогательных веществ в субстрате. Реле времени позволяет автоматически переключать направления потоков снизу вверх (прямой поток - поток А на фиг.2) и сверху вниз (обратный поток - поток Б на фиг.2). Здесь и далее под обратным потоком подразумевается поток с минимальной скоростью. При любом направлении потоков клапан 17 подает потоки жидкости в аппарат, а клапан 18 выводит продукты из него. Микробиореактор может работать как в рецикле (как аппарат периодического действия), так и на проток (как аппарат непрерывного действия). В верхней части микробиореактора происходит первичная сепарация фаз: легкая фаза выводится через патрубок 5, тяжелая - через патрубок 6. Дальнейшая сепарация производится в отдельном сепараторе (на фиг.2 не показан).
На фиг.3 изображен вариант исполнения корпуса 1 с каналами 11, когда каналы в месте перехода в распределительную камеру имеют максимальное сечение (патрубки и перегородки условно не показаны). В этом случае питающие трубки в распределительных камерах могут иметь диаметр, соответствующий максимальному диаметру канала.
На фиг.4 показано движение фаз: капель 21 жидкости Ж2 (дисперсной среды), жидкостных снарядов 22 жидкости Ж1 (сплошной среды) и твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом в одном из каналов 11.
1
Предлагаемый аппарат работает следующим образом. На фиг.5 изображены временные диаграммы импульсной подачи в аппарат для случая, когда в аппарате три фазы - сплошная среда (субстрат), дисперсная среда (вспомогательными вещества) и твердые частицы с иммобилизованным ферментом. Субстрат с вспомогательными веществами подают с периодически изменяющимся по времени расходами, используя реле времени 19 и управляемые им клапаны 17 и 18. При этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами (соответствующую потокам А) в широком сечении каналов задают выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, за счет чего обеспечивается перевод частиц во взвешенное состояние, когда частицы отделяются друг от друга, и каждая из частиц со всех сторон омывается потоком жидкости (субстратом с вспомогательными веществами). Благодаря этому полностью исключается наличие каких-либо застойных зон в аппарате, а поверхность иммобилизованного фермента используется на 100%. В узком сечении скорость при этом еще выше, чем в широком, что гарантирует движение частиц вверх по всей длине аппарата без возникновения возвратных течений по всей длине каналов. Унос частиц из рабочей зоны - из каналов 11 - предотвращается благодаря наличию в верхней части каналов 11 решеток 14. Длительность τ интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней решетки 14 до верхней решетки 14.
Минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов, т.е. скорость, соответствующую движению потоков Б, задают ниже скорости начала псевдоожижения, что позволяет частицам оседать на нижнюю решетку 14. При этом скорость может иметь отрицательный знак, т.е. направлена вниз, способствуя более быстрому осаждению частиц. При этом в каналах 11 создается колебательная скорость относительного движения твердых частиц с иммобилизованным ферментом с большой амплитудой, обеспечивающая высокий коэффициент массоотдачи от их поверхности. Длительность тз интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней решетки 14 до нижней решетки 14.
За счет периодически изменяющегося по длине поперечного сечения каналов 11 скорость жидкости (субстрата с вспомогательными веществами) по длине каналов меняется в соответствии с уравнением неразрывности. Это приводит к тому, что твердые частицы 15 с иммобилизованным ферментом в узком сечении каналов 11 разгоняются, увлекаясь потоком, а в широком сечении каналов 11 тормозятся. При таком движении и наличии разности плотностей твердой и жидкой фаз возникает относительное колебательное движение частиц и жидкости, способствующее снижению диффузионного сопротивления, что ведет к существенному ускорению массоотдачи от поверхности частиц.
В необходимых случаях (например, если твердые частицы с иммобилизованным ферментом имеют повышенную склонность к слипанию друг с другом и налипанию на стенки аппарата) максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, которая выше скорости начала псевдоожижения.
При необходимости реализовать наложенное на поступательное реверсивное движение потока в фазе обратного тока минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают отрицательной. При этом в среднем за период расход (подача) должен быть положительным (см. формулу (2)) для обеспечения направленного движения жидкости в аппарате.
Период (длительность цикла) одинаков для сплошной и дисперсной сред (см. фиг.5) и равен
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где τ - продолжительность стадии интервала максимальной скорости (прямого потока), с;
2
τ - продолжительность стадии интервала минимальной скорости (обратного потока), с.
Средняя за период подача жидкости (субстрата и вспомогательных веществ) равна
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mi>Q</mi><mo>〉</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>T</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>T</mi></munderover><mrow><mi>q</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Объем жидкости, проходящей через сечение микробиореактора при прямом потоке
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mtext>ïð</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>q</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
объем жидкости, проходящей через сечение микробиореактора при обратном потоке
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>î</mi><mtext>áð</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>T</mi></munderover><mrow><mi>q</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из формул (2)-(4) следует
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mi>Q</mi><mo>〉</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mtext>ïð</mtext></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mtext>V</mtext><mrow><mi>î</mi><mtext>áð</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>T</mtext></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
На фиг.5 показан график зависимости мгновенного расхода q двухфазной системы от времени: q - мгновенный расход прямого потока (поток A), q - мгновенный расход обратного потока (поток Б). Средний расход, как видно из фиг.5, имеет положительный знак, т.е. в среднем за период происходит вытеснение гетерогенной системы из аппарата, и он может рассматриваться как аппарат вытеснительного типа (в среднем за период). На фиг.6 изображена зависимость от времени мгновенного объема жидкости (двухфазной смеси), проходящей через сечение микробиореактора, полученная в результате интегрирования зависимости на фиг.5.
Пример конкретного выполнения. Микробиореактор для переэтерификации триглицеридов (жиров растительного или животного происхождения, выполняющих здесь роль субстрата) в биодизельное топливо с образованием глицерина, схема которого представлена на фиг.1, содержит корпус 1 с шестью каналами 11 длиной 1 м. Каналы имеют периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, меньший диаметр которых 3 мм, а больший диаметр 6 мм. В каждый из каналов 11 загружены твердые полимерные частицы 15 с иммобилизованным на их поверхности ферментом - зимазой, имеющие диаметр 0.3 мм. Распределительное устройство состоит из камеры 9 ввода триглицеридов и следующей за ней одной камеры 10 ввода вспомогательных веществ - метилового спирта. В боковой стенке каналов 11 в камере 10 ввода вспомогательных веществ выполнено одно или два отверстия 12 диаметром 0.6-0.8 мм, через которые происходит ввод метилового спирта и его диспергирование в потоке сплошной среды - триглицеридов. Каналы 11 в верхней и нижней части снабжены решетками 14, диаметр пор в которых составляет 0.2 мм. Опционально в каждом из каналов 11 могут быть размещены дополнительные решетки 14, установленные в сечениях с максимальной площадью, как показано на фиг.1.
1
2
Насосом 16 в корпус 1 (см. фиг.2) подают триглицериды и метиловый спирт с периодически изменяющимся по времени расходами, как показано на фиг.5. При этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают равной 0.03 м/с, т.е. выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом (которая составляет 0.01 м/с), а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают равной - 0.01 м/с, т.е. ниже скорости начала псевдоожижения (в данном случае отрицательной). Причем длительность (τ=30 с) интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней до верхней решетки, а длительность (τ=45 с) интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней до нижней решетки. В узком сечении скорость выше, чем в широком, что обеспечивает однонаправленное движение частиц на каждом из периодов.
Благодаря периодически изменяющемуся по длине поперечному сечению каналов интенсифицируется радиальный перенос импульса и энергии, вследствие чего улучшается равномерность распределения вводимой энергии по объему аппарата, обеспечивается равная доступность поверхности твердых частиц с иммобилизованным ферментом. Эти эффекты усиливаются также за счет импульсной подачи жидких фаз согласно предлагаемому изобретению.
Процесс диспергирования капель, пузырей (для систем жидкость-газ) улучшается как за счет выполнения диспергатора в виде отверстий в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ.
Для увеличения эффективности массоотдачи от поверхности частиц с иммобилизованным ферментом скорость двухфазной смеси (субстрата с вспомогательными веществами) может быть задана выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, которая в рассматриваемом случае составляет 7 м/с.
Благодаря высоким коэффициентам массоотдачи от поверхности частиц с иммобилизованным ферментом, равномерного прогрева каналов с двухфазной жидкой системой в них, интенсивного перемешивания (за счет так называемых тейлоровских вихрей) в каплях метилового спирта и в жидкостных снарядах триглицеридов длительность процесса сокращается с 48 часов для биореактора-прототипа (аппарата с перемешивающим устройством) до 4 часов, т.е. в 12 раз. Следовательно, при равных объемах аппаратов за счет сокращения продолжительности процесса происходит увеличение производительности микробиореактора по сравнению с существующими аналогами в 12 раз.
Таким образом, предлагаемые микробиореактор и способ его эксплуатации позволяют повысить эффективность массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете увеличить производительность аппарата.