Реакторы с иммобилизованными клетками

Каталитические системы с иммобилизованными клетками должны обеспечивать технологические и экономические преимущества по сравнению с традиционными процессами микробиологического синтеза на основе свободных клеток. Помимо свойств непосредственно иммобилизованного биокатализатора (нерастворимость, высокая активность, собственная система регенерации кофакторов и т. д.) важную роль в реализации таких преимуществ играет аппаратурное оформление процессов с иммобилизованными клетками, иными словами, выбор конструкции реакторов, где осуществляются биокаталитические процессы.

Любую систему, у которой существует ограничивающая ее поверхность и в которой протекают биохимические процессы, называют реактором (биореактором). С точки зрения организации массопотоков реакторы, в том числе промышленные, могут работать в периодическом режиме, периодическом режиме с доливом субстрата, полунепрерывном (полупериодическом) и непрерывном поточном режимах.

Высокая концентрация микроорганизмов в рабочем объеме реактора с иммобилизованными клетками определяет необходимость создания высоких скоростей массопередачи, что особенно важно для аэробных процессов, когда недостаточно интенсивная массоподача кислорода может лимитировать скорость образования целевого продукта. Эти требования приводят к необходимости перемешивания среды в рабочем объеме. Отсюда следует, что биокатализатор должен быть стоек к механическому истиранию его гранул и частиц. Тем не менее, механическая прочность иммобилизованных биокатализаторов часто бывает недостаточной, поэтому ее следует компенсировать путем разработки реакторов соответствующей конструкции. Исходя из этого удобно классифицировать реакторы для иммобилизованных клеток по относительному движению частиц твердой фазы (биокатализатора). По этому признаку все виды реакторов можно разделить на два типа — с отсутствием или с наличием движения частиц твердой фазы.

Отметим, что типы реакторов по этой классификации достаточно условны и отражают лишь наиболее общие принципы их устройства и функционирования. На практике те или иные реакторы могут сочетать принципы обоих типов, представлять разнообразные их модификации. Рассмотрим более подробно конкретные виды реакторов.

Реактор периодического действия (рис.5а) устроен просто: он представляет собой емкость с мешалкой, в которую помещают биокатализатор и раствор субстрата (питательную среду). После окончания процесса, иммобилизованные клетки отделяют от продуктов центрифугированием или фильтрацией и биокаталитический цикл начинается с начала. Очевидно, что такие реакторы недостаточно производительны, характеризуются большими потерями биокатализатора и находят лишь ограниченное применение, хотя следует отметить, что для традиционной микробиологической промышленности, основанной на использовании свободных клеток микроорганизмов, такой тип реактора является наиболее распространенным.

Проточный реактор с перемешиванием (рис.5б) отличается от предыдущего тем, что после каждого каталитического цикла отделение биокатализатора не происходит, субстрат периодически доливается, периодически же отделяются продукты. Эффективность такого реактора выше, чем у периодического. В идеальном проточном реакторе с перемешиванием содержимое находится в равновесном состоянии и система напоминает хемостат — один из вариантов непрерывного культивирования свободных клеток микроорганизмов.

Проточные реакторы могут иметь неподвижный или перемешиваемый слой катализатора. Рассмотрим сначала реакторы с неподвижным слоем. Иммобилизованные клетки (в форме гранул, стружки, дисков, зерен, волокон и т. д.) могут быть легко упакованы в колонне, образуя неподвижный слой. Субстрат проходит через слой биокатализатора сверху или снизу. Если профиль потока жидкости точно перекрывает поперечное сечение реактора, то реактор работает по поршневому принципу. Концентрация субстрата максимальна на входе, а концентрация продуктов — на выходе из реактора, следовательно, эти реакторы особенно удобны для процессов, сопровождаемых ингибированием продуктами. Реакторы такого рода нашли промышленное применение, в частности для очистки сточных вод, получения уксусной, яблочной, аспарагиновой кислот, глюкозо-фруктозного сиропа, а также для процессов с иммобилизованными ферментами. Кроме проточного реактора с неподвижным слоем (рис.5в) применяют серию таких реакторов, а также проточный реактор с неподвижным слоем с рециркуляцией (рис.5г).

Для микробиологических процессов, проходящих с выделением газов (при получении этанола, например, выделяется СО2), для эффективного их отвода целесообразно использовать наклонный проточный реактор или горизонтальный проточный реактор с фиксированным слоем биокатализатора (рис. 5д).

Проточные реакторы с перемешиваемым слоем биокатализатора могут быть с взвешенным (псевдоожиженным или кипящим) слоем, а также движущимся фиксированным слоем. Реакторы с взвешенным слоем характеризуются тем, что субстрат поступает снизу достаточно быстро, так чтобы поддерживать частицы во взвешенном состоянии, но не настолько быстро, чтобы частицы уносились вместе с выходящим потоком жидкости. В данном случае реализуется режим, промежуточный между полным перемешиванием (как в проточном реакторе с перемешиванием) и отсутствием перемешивания (как в реакторе поршневого типа). Схема реактора с перемешиванием представлена на рис.5е. Реакторы с взвешенным слоем целесообразно применять, когда псевдоожижение осуществляют газовой фазой (при аэрации или при выделении газа в катализируемом процессе), а также для переработки вязких субстратов.

Рис. 5 Типы реакторов, а — периодического действия; б — проточный с перемешиванием; в — с неподвижным слоем (проточный); г — с рециклом; д — горизонтальный с неподвижным слоем; е — проточный с взвешенным («кипящим») слоем

Относительная скорость движения жидкости и гранул в реакторах со взвешенным слоем невелика, что невыгодно с точки зрения обеспечения биокатализатора субстратом. Более удобными представляются реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора, когда расположение его гранул фиксировано друг относительно друга (это исключает также механическое повреждение гранул).

Предложен ряд вариантов реакторов с вращающимся перфорированным контейнером (рис.6а), с кассетами диффузорами и мешалкой (рис.6б), а также реакторы типа «активный ротор» с перфорированными кассетами, выполняющими роль мешалки (рис.6в).

в Рис. 6 Реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора, а — с вращающимся перфорированным ротором; б — с кассетами — диффузорами; в — типа активный ротор

В больших реакторах возникает эффект неоднородности слоя биокатализатора, вследствие чего поток жидкости проходит преимущественно по зонам с низким гидравлическим сопротивлением. Одним из возможных решений проблемы представляется использование проточных реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора. Примером служит реактор с носителем в виде пакета пластин (пластинчатый реактор рис.7а, б), покрытых слоем микроорганизмов. Можно использовать и реактор, в корпусе которого заключена кассета (в том числе съемная), на которой размещена пленка-адсорбент или волокна, ерши и другие элементы, обладающие развитой поверхностью и служащие адсорбентом микроорганизмов (рис.7в). К данной категории относится также горизонтальный реактор с параллельно расположенными вращающимися дисками, выполненными в виде кассеты, закрепленной на оси (рис.7г). Реактор с вращающимися дисками применяют для получения этанола, другие виды реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора используют при очистке сточных вод, в процессах бактериального выщелачивания руд.