Reaktory mikrobiologiczne

Anna Dudka, Monika Mach | 2004-01-06

BioTECHNOLOGIA to nie tylko praca w laboratorium, ale także wprowadzanie nowych TECHNOLOGII do przemysłu, powiększanie skali i prowadzenie procesów w bioreaktorach. Mikroorganizmy wykorzystywane tak często na skalę laboratoryjną są również podstawą w produkcji przemysłowej. My, jako biotechnolodzy pracujący w laboratorium powinniśmy pamiętać o szerokim zastosowaniu tychże organizmów do otrzymywania produktów powszechnego użytku, takich jak szczepionki, antybiotyki, produkty spożywcze jak jogurty, sery, piwo, wino, pasze i wiele innych. Jednocześnie musimy być świadomi problemów jakie niesie ze sobą powiększanie skali i optymalizacja procesów mikrobiologicznych w bioreaktorach. Nie jest łatwo „przełożyć” warunki laboratoryjne na skalę przemysłową. W tym krótkim artykule staramy się przedstawić jedynie niektóre aspekty, na które trzeba zwrócić uwagę przy prowadzeniu produkcji w bioreaktorze.

Mikroorganizmy są powszechnie wykorzystywane w biotechnologii, ze względu na różnorodność przeprowadzanych reakcji chemicznych i syntetyzowanych produktów o raz łatwość sterowania procesami mikrobiologicznymi. Przydatność organizmów mikrobiologicznych w biotechnologii ocenia się według kilku parametrów m.in. wydajności i szybkości tworzenia produktu spełniającego określone kryteria czystości, szybkości wzrostu mikroorganizmów, warunków wzrostu czy wymagań pokarmowych i środowiskowych. Organizmy mikrobiologiczne są czynnikami katalitycznymi w takich procesach jak biosynteza, biotransformacja, biohydroliza, fermentacja a nawet podczas bioługowania i biodegradacji. Dzięki wykorzystaniu mikroorganizmów na skalę przemysłową otrzymuje się szereg substancji m.in. szczepionki, antybiotyki, produkty spożywcze fermentacji jak jogurty, sery, piwo a także enzymy, witaminy i aminokwasy. Wymienione substancje stanowią jedynie nieliczne przykłady użyteczności mikroorganizmów.

I. Warunki reakcji mikrobiologicznych.

Procesy przeprowadzane przez mikroorganizmy wymagają jednak odpowiednich warunków, w celu osiągnięcia pożądanej szybkości procesu i wydajności przeprowadzanej reakcji, a co najważniejsze otrzymywanego produktu. Wobec tego należy pamiętać o tym, że wzrost mikroorganizmów uzależniony jest od takich parametrów jak: uwodnienie środowiska, temperatura, ciśnienie osmotyczne, pH i potencjał oksydacyjno-redukcyjny. Najważniejszym jednak problemem wydaje się nie poznanie warunków wzrostu mikroorganizmów i przeprowadzanej reakcji ale optymalizacja procesu podczas zwiększenia skali.

Problem może również stanowić fakt, że w przypadku reakcji mikrobiologicznej bilansowanie reakcji jest trudne, a współczynniki stechiometryczne wyznacza się empirycznie. Biorąc pod uwagę wszystkie, wyżej wymienione aspekty reakcji mikrobiologicznej, planuje się procesy mające technologiczny sens, tzn. będące wydajne i ekonomiczne.

Analogicznie do równania Michaelisa-Menten dla reakcji enzymatycznych , w przypadku reakcji mikroorganicznych stosuje się model Monoda, równanie opisujące względną szybkość wzrostu mikroorganizmów.

Ważnymi parametrami są także: metaboliczna efektywność wzrostu Ys, wydajność nowo syntetyzowanej masy komórkowej, szybkość zużywania substratu na jednostkę biomasy, szybkość oddychania i szereg innych. W rezultacie proces mikrobiologiczny przeprowadza się w oparciu o wyznaczone wcześniej parametry, na przykład dla Penicillium chrysogenum:

II. Reaktory mikrobiologiczne.

Proces otrzymywania produktu w bioreaktorach mikrobiologicznych składa się z kilku etapów. Pierwszy etap to etap przygotowawczy obejmujący mycie i dezynfekcje lub sterylizację aparatury, pomieszczeń, przewodów przesyłowych oraz przygotowanie i sterylizację podłoży. Następnie namnażamy materiał posiewowy oraz prowadzimy proces biosyntezy. Kolejne etapy to wydzielanie i oczyszczanie produktu oraz otrzymywanie formy handlowej produktu.

Otrzymywanie produktów w wyniku reakcji mikrobiologicznych zachodzi w specjalnie przystosowanych do przeprowadzania takich procesów reaktorach mikrobiologicznych.

Reaktory mikrobiologiczne pracują w układzie heterogenicznym ze względu na obecność mikroorganizmów, pożywki, a w przypadku aerobów również konieczności napowietrzania środowiska. Mieszanie takiego układu nadaje mu charakter pseudohomogeniczny, dzięki czemu można traktować taki układ jak homogeniczny, co w znaczący sposób ułatwia przeprowadzenie reakcji. Mieszanie zwiększa powierzchnie (ułatwia rozwinięcie powierzchni) dostępne dla mikroorganizmów w celu wydajniejszego przebiegu procesu. W prostych reaktorach mieszadła znajdują się z góry reaktora, w bardziej skomplikowanych, gdzie często powstaje niepożądana piana i niezbędne staje się wyposażenie reaktora w tzw. zbijacz piany, i wtedy mieszadło znajduje się u dołu reaktora.

Reaktory mikrobiologiczne zaopatrzone są w wewnętrzne listwy tzw. łamacze wiru, które zapobiegają tworzeniu się „leju” w roztworze podczas mieszania.

Podczas doboru mieszadeł należy wziąć pod uwagę, że podczas stosowania różnych mieszadeł cyrkulacja powietrza oraz roztworu mieszanego również się zmienia (na przykład mieszadło turbinołopatkowe oraz mieszadło śmigłowe).

W przypadku przeprowadzania procesu mikrobiologicznego z udziałem aerobów istotne staje się sterowanie powietrzem. Istnieje kilka sposobów na dostarczanie tlenu do środowiska reakcyjnego m.in. zastosowanie bełkotki, dyszy strumieniowej, rury lub tarczy porowatej lub mieszadła wyposażonego w wirnik zasysający powietrze i wtłaczający je do cieczy (napowietrzanie wgłębne). Pobieranie tlenu przez mikroby zależy od wielkości pęcherzyków powietrza, im mniejsze tym pobieranie jest wydajniejsze. Wiąże się to jednak z większymi kosztami ze względu na konieczność zastosowania większego ciśnienia gazu. Proces dostarczania tlenu do reaktora jest trudny a rozpuszczanie tlenu jest stopniowe. W tym przypadku również mieszanie odgrywa istotną rolę.

Rozpuszczalność tlenu: 25oC, 1atm (O2), 1,26/mmol/ltir, w hodowli 20-40% wartości maksymalnej.

Energia zużywana na mieszanie i napowietrzanie stanowi znaczną część kosztów procesu mikrobiologicznego. Dlatego poszukuje się mniej energochłonnych rozwiązań w bioreaktorach. Ważną rolę odgrywa w tym przypadku sposób doprowadzania energii do mieszanej zawiesiny drobnoustrojów. Stosuje się więc różnego rodzaju mieszadła mechaniczne, pneumatyczne, hydrauliczne lub mieszadła kombinowane, w których łączy się różne rodzaje mieszadeł.

W czasie reakcji prowadzonej w bioreaktorach, nie tylko mikrobiologicznych, często tworzy się piana. W celu zapobiegania powstawania piany oraz likwidacji już utworzonej umieszcza się w reaktorach, wyżej wspomniane już zbijacze piany. Są one umieszczone zawsze nad powierzchnią roztworu reakcyjnego. W niektórych przypadkach dodaje się do zawiesiny drobnoustrojów oleju, który pływając po powierzchni roztworu zapobiega powstawaniu piany. Niestety, najskuteczniejszy olej, silikonowy, jest również odpowiednio drogi, a także pociąga za sobą konieczność usunięcia jego obecności z otrzymanego produktu.

Reaktory mikrobiologiczne od zewnątrz zaopatrzone są w płaszcze grzejne, spełniające rolę termostatu, zapewniającego odpowiednią temperaturę podczas trwania reakcji. Często pełnią one jednocześnie funkcję sterylizatora. Utrzymanie sterylności środowiska w bioreaktorze jest kolejnym, bardzo ważnym a jednocześnie trudnym do spełnienia warunkiem prawidłowego procesu mikrobiologicznego. Reaktory mają wewnętrzną powierzchnię niezwykle gładką i wyszlifowaną, gdyż ewentualne bruzdy stanowiłyby mikrośrodowisko, w którym drobnoustroje w sposób niekontrolowany mogłyby się rozwijać. Podczas każdego procesu mikrobiologicznego ryzyko osadzania się drobnoustrojów na elementach bioreaktora, pozostawania resztek komórek w mieszaninie reakcyjnej lub wydzielanie ubocznych, niekorzystnych substancji zanieczyszczających produkt jest duże stąd tak ważne jest utrzymanie sterylności i jałowości bioreaktora mikrobiologicznego.

Do przeprowadzania procesów mikrobiologicznych można również użyć reaktorów membranowych, zaopatrzonych w przegrody filtracyjne o zróżnicowanych porach w celu oddzielenia produktów od pozostałych składników w mieszaninie reakcyjnej. Warunkiem jest wyposażenie reaktora w ujście, co jest związane ze stałym przyrostem mikroorganizmów.

Bibliografia:
1. „Technologie biochemiczne” Chmiel