Разработка приборов и оборудования нового поколения для высокоэффективного глубинного культивирования микроорганизмов

 

Редикульцев Ю.В., ИБП РАН; Кудряшов В.К., к.т.н., ИБП РАН;

 

Голиченков В.С., ИБП РАН, Ваньков Р.Н., ИБП РАН

 

В докладе приводятся результаты исследований и разработок нового поколения биотехнологического ферментационного оборудования, реализующего как периодические, так и непрерывные и отъемно-доливные процессы. Рассматриваются перспективы широкого использования каскадно-проточного способа культивирования микроорганизмов. Обсуждается новый подход к построению ферментационного оборудования, обеспечивающего реализацию  условий проточного культивирования бактерий, мицелиальных грибов, клеток животной и растительной ткани. Обсуждаются проблемы инвестиций в организацию производства нового поколения ферментационного оборудования.  

 

Введение

Возможность проведения современных научных исследований и технологических разработок в области микробиологии и клеточной биологии, а также организация эффективных производств биотехнологической продукции при использовании различных типов продуцентов в значительной мере определяется параметрами оборудования,  способностью оборудования создать требуемые для культур клеток технологические, гидродинамические и массообменные параметры процессов, создать условия реализации многостадийных процессов при работе в непрерывных или отъемно-доливных режимах и т.д.  Имеющееся на рынке оборудование как отечественное, так и импортное базируется на исследованиях ферментационных процессов  60-х  годов  прошлого   столетия.

В последние годы в ИБП РАН осуществляется проект, в котором на основе исследований кинетики процессов культивирования микроорганизмов и клеток разработаны эффективные схемы аэрации и перемешивания циркуляционного типа, обеспечивающие подавление пенообразования и повышение коэффициента заполнения аппаратов, разработаны аппараты с пневмогидравлическим способом аэрации и перемешивания, обеспечивающие флотационный эффект при культивировании мицелиальных грибов. Для обеспечения возможности проведения длительных непрерывных (отъемно-доливных) процессов в асептических условиях разработаны и исследованы методы эффективной паровой стерилизации оборудования и питательных сред при переменном давлении пара.

Новое поколение ферментационного оборудования. 

В результате осуществления проекта создается новое поколение биотехнологического ферментационного оборудования.  Основные отличия нового поколения оборудования следующие:

- оборудование позволяет работать с разными типами продуцентов;

- оборудование имеет эффективные управляемые системы аэрации и перемешивания;

- оборудование имеет встроенную систему паровой стерилизации, которая обеспечивает в максимальной конфигурации стерилизацию, как оборудования, так и питательных сред.

Исследованы технологические факторы,  обеспечивающие оптимизацию ферментационных процессов, независимо от специфических особенностей используемых биопродуцентов, состава питательных сред и методов культивирования.

Проведен анализ размерностей и методов масштабирования ферментационных процессов с целью совершенствования ключевых аспектов кинетической теории и экономики биотехнологических систем.

Достаточная степень готовности принципиальных и конструкторских решений, новые качественные показатели оборудования, а именно,  возможность проведения отъемно-доливных и непрерывных процессов, полная алгоритмизация и автоматизация процессов подготовки и проведения ферментационных процессов позволяют говорить о создании нового поколения биотехнологического оборудования.

В результате осуществления проекта изготовлены и испытаны макеты основных устройств:

- модуля стерилизации, предназначенного для стерилизации ферментационного оборудования, аэрирующего воздуха и питательных сред, принцип действия которых основан на эффективной  импульсной технологии паровой стерилизации

- ферментационные модули с объемом ферментеров 500 мл и 10 литров (лабораторный уровень),  в которых реализуется возможность управления параметрами технологических процессов и работы в режиме каскадного протока.

- модуль интерактивного управления, включающие контроллер, силовые блоки, компьютер и прикладное программное обеспечение,  которые обеспечивают  компьютеризированное  интерактивное управление процессами стерилизации и культивирования.

В ИБП РАН выполнены разработки принципиально нового способа культивирования микроорганизмов – каскадно-проточного и лабораторной установки, реализующей этот способ. Разработанный способ имеет перспективы широкого, эффективного применения при реализации различных ферментационных процессов, в первую очередь многостадийных, которые требуют создания различных условий на разных стадиях процесса, при реализации непрерывных процессов и т.д.

Созданные макеты оборудования позволили провести испытания  новых методов  стерилизации оборудования, питательных сред и проведения ферментационных процессов, что позволяет:

- обеспечить управляемые кинетические условия газо-, тепло- и массообмена в  стерилизационных и ферментационных процессах;

- масштабировать ферментационные процессы, от лабораторного до промышленного уровня, с сохранением удельных параметров технологических регламентов.

 

Перспективные методы реализации ферментационных процессов

Проводимые в настоящее время исследования позволили поставить задачу разработки нового подхода к реализации ферментационных процессов. На основе этого подхода поставлена задача создания современного конкурентоспособного ферментационного оборудования универсального применения для научных и производственных целей, гидродинамические характеристики которого обеспечат реализацию известных и вновь разрабатываемых процессов, независимо от специфических особенностей биопродуцентов и состава питательных сред.

В научном плане новое ферментационное оборудование позволит:

-                     существенно  сократить время проведения научно-исследовательских работ;

-                     повысить качество и воспроизводимость получаемых результатов;

-                     расширить возможности для научного поиска.

В практическом плане выполненная работа позволяет:

-                     проводить разработку производственных регламентов на стадии лабораторных исследований;

-                     сократить энергозатраты на проведение ферментационных процессов;

-                     значительно увеличить концентрацию питательных веществ в культуральной жидкости (КЖ), при сохранении оптимальных условий культивирования биопродуцентов, что существенно повышает производительность ферментационных аппаратов и снижает себестоимость производимых биопродуктов;

-                     обеспечить высокую конкурентоспособность ферментационного оборудования на мировых рынках.

В развитие направления исследований, предполагается:

- адаптировать новый подход к проведению ферментационных процессов к условиям реализации метода каскадно-проточного культивирования микроорганизмов,  при сохранении его существенных преимуществ, заключающихся в  оптимизации физико-химических условий, возможности развертывания исследуемых процессов во времени и пространстве, обеспечения локального  постадийного контроля и управления, в диапазоне лаг-фаза ® экспоненциальная фаза ® стационарная фаза;

- разработать новый тип биореактора, работа которого обеспечит реализацию  условий проточного культивирования бактерий, мицелиальных грибов, клеток животной и растительной ткани по методу «полного вытеснения», что позволит существенно повысить коммерческую привлекательность нового оборудования, обладающего высокой продуктивностью и экономичностью.