Барботажный биореактор

Барботажный биореактор — это тип биореактора, в котором перемешивание и аэрация культуральной жидкости (среды с микроорганизмами, клетками или ферментами) осуществляется путём подачи газа (обычно воздуха или кислорода) через барботёр, расположенный на дне аппарата. Газ, поднимаясь в виде пузырьков, создаёт турбулентность, обеспечивая массообмен, теплообмен и поддержание клеток во взвешенном состоянии. Барботажные биореакторы широко применяются в биотехнологии, микробиологии и фармацевтике для культивирования аэробных микроорганизмов, а также для проведения ферментативных и клеточных процессов.

История

Первые упоминания о барботажных устройствах для аэрации жидкостей относятся к концу XIX века, когда их использовали в химической промышленности для окисления растворов. В биотехнологии барботажные биореакторы начали применяться в 1940-х годах в связи с развитием промышленного производства антибиотиков, в частности пенициллина. Первоначально это были простые стеклянные или металлические ёмкости с трубкой для подачи воздуха. В 1950–1960-х годах были разработаны конструкции с улучшенным распределением газа, что позволило увеличить объём культивирования до нескольких кубических метров. В 1970-х годах с появлением мембранных и колонных барботажных реакторов стало возможным культивирование чувствительных к сдвиговым нагрузкам клеток (например, клеток млекопитающих). В 1980–1990-х годах развитие методов компьютерного моделирования и автоматизации привело к созданию высокоточных систем управления барботажными биореакторами, используемых в современной биофармацевтике.

Устройство и принцип работы

Основные элементы

Барботажный биореактор состоит из следующих ключевых компонентов:

• Корпус — герметичная ёмкость цилиндрической или конической формы, изготовленная из нержавеющей стали (для промышленных установок) или стекла (для лабораторных). Объём варьируется от 0,5 литра до 500 м³.
• Барботёр — устройство для подачи газа, расположенное в нижней части реактора. Может быть выполнен в виде перфорированной трубки, пористой пластины (керамической или металлической), мембраны или форсунки. Тип барботёра определяет размер пузырьков и эффективность массообмена.
• Система подачи газа — компрессор, редуктор, фильтры для стерилизации воздуха и ротаметр для регулировки расхода. В промышленных установках используется система автоматического контроля состава газовой смеси (например, обогащение кислородом).
• Система отвода газа — выходной патрубок с конденсатором для улавливания влаги и фильтром для предотвращения выброса микроорганизмов.
• Мешалка (опционально) — в некоторых конструкциях для улучшения перемешивания устанавливается механическая мешалка (например, турбинная или пропеллерная), работающая совместно с барботажем. Такие аппараты называются барботажно-механическими.
• Рубашка обогрева/охлаждения — для поддержания заданной температуры (обычно 25–40 °C для мезофильных микроорганизмов) используется водяная или паровая рубашка, либо внутренние змеевики.
• Датчики и системы управления — pH-метр, датчик растворённого кислорода (pO₂), термопара, пеногаситель, система автоматического дозирования питательных веществ и регулятор pH.

Принцип действия

Газ (воздух или кислород) подаётся под давлением через барботёр в нижнюю часть реактора. При прохождении через отверстия барботёра образуются пузырьки, которые поднимаются вверх через слой жидкости. В процессе всплытия пузырьки:

• Обеспечивают массообмен: кислород из газовой фазы переходит в жидкую фазу (растворяется), а углекислый газ, образующийся при дыхании микроорганизмов, удаляется из жидкости в газовую фазу.
• Создают турбулентность: движение пузырьков вызывает перемешивание жидкости, что предотвращает оседание клеток и обеспечивает равномерное распределение питательных веществ и температуры.
• Способствуют теплообмену: газ, проходя через жидкость, частично отводит тепло, выделяемое метаболически активными клетками.

Размер пузырьков — критический параметр: мелкие пузырьки (диаметром 1–5 мм) имеют большую удельную поверхность, что улучшает массообмен, но они быстрее сливаются в крупные. Крупные пузырьки (10–50 мм) создают более интенсивное перемешивание, но хуже насыщают жидкость кислородом. Оптимальный размер подбирается экспериментально или с помощью CFD-моделирования (Computational Fluid Dynamics).

Классификация

Барботажные биореакторы классифицируют по нескольким признакам:

По типу подачи газа

• Прямоточные — газ подаётся снизу вверх, пузырьки движутся в одном направлении с жидкостью (если она циркулирует).
• Противоточные — газ подаётся снизу, а жидкость может двигаться сверху вниз (например, в колонных реакторах с насадкой).

По конструкции корпуса

• Цилиндрические — наиболее распространённые, простые в изготовлении и эксплуатации.
• Колонные — высокие узкие аппараты (высота в 5–10 раз больше диаметра), обеспечивающие длительное время контакта газа с жидкостью.
• С насадкой — внутри размещаются насадки (кольца Рашига, седла Берля), которые дробят пузырьки и увеличивают поверхность массообмена.
• Мембранные — газ подаётся через пористую мембрану, что позволяет получать очень мелкие пузырьки (менее 1 мм).

По режиму работы

• Периодические — культивирование проводится в одной партии (batch), после чего реактор опорожняется и загружается заново.
• Непрерывные — питательная среда непрерывно подаётся, а культуральная жидкость отводится, что позволяет поддерживать стационарную фазу роста.
• Полунепрерывные (fed-batch) — периодически добавляются питательные вещества без отбора продукта.

По масштабу

• Лабораторные (0,5–20 л) — для научных исследований и оптимизации процессов.
• Пилотные (50–500 л) — для отработки технологии перед промышленным внедрением.
• Промышленные (1–500 м³) — для крупнотоннажного производства.

Применение

Барботажные биореакторы используются в различных отраслях:

Биотехнология и фармацевтика

• Производство антибиотиков (пенициллин, стрептомицин, тетрациклин) — культивирование грибов рода Penicillium и Streptomyces.
• Получение ферментов (амилазы, протеазы, липазы) — с использованием бактерий Bacillus и грибов Aspergillus.
• Синтез аминокислот (лизин, глутаминовая кислота) — с помощью бактерий Corynebacterium glutamicum.
• Культивирование клеток млекопитающих (для производства моноклональных антител, вакцин) — в мембранных барботажных реакторах с низким сдвиговым напряжением.
• Производство биогаза — в анаэробных барботажных реакторах (метантенках) для переработки органических отходов.

Пищевая промышленность

• Производство пива, вина, спирта — барботаж используется для аэрации сусла при культивировании дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
• Получение хлебопекарных дрожжей — в промышленных барботажных ферментерах объёмом до 100 м³.
• Производство лимонной кислоты — с помощью грибов Aspergillus niger.

Экология и очистка сточных вод

• Аэротенки — барботажные реакторы для биологической очистки сточных вод активным илом. Воздух подаётся через пористые трубы или диски, обеспечивая насыщение кислородом и перемешивание.
• Биоремедиация — очистка почв и грунтовых вод от нефтепродуктов с помощью аэробных микроорганизмов.

Энергетика

• Производство биоводорода — в барботажных реакторах с фотосинтезирующими бактериями или водорослями.
• Получение биоэтанола — в непрерывных барботажных ферментерах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — отсутствие движущихся частей (в барботажных реакторах без механической мешалки) снижает риск поломок и упрощает стерилизацию.
• Низкое сдвиговое напряжение — щадящий режим для чувствительных клеток (например, клеток млекопитающих или водорослей).
• Эффективный массообмен — при оптимальном размере пузырьков достигается высокая скорость растворения кислорода.
• Масштабируемость — легко увеличивать объём за счёт увеличения высоты колонны или диаметра корпуса.
• Возможность работы в непрерывном режиме — удобно для длительных процессов.

Недостатки

• Высокое энергопотребление — сжатие газа требует значительных затрат электроэнергии (до 30–50 % от общих эксплуатационных расходов).
• Пенообразование — интенсивный барботаж вызывает образование пены, что требует использования пеногасителей (химических или механических).
• Неравномерность распределения газа — в крупных реакторах пузырьки могут сливаться, образуя «каналы», что снижает эффективность массообмена.
• Ограничения по вязкости — при высокой вязкости среды (например, в культурах мицелиальных грибов) барботаж становится малоэффективным, требуется механическое перемешивание.
• Трудности с асептикой — при подаче нестерильного газа возможно загрязнение культуры.

Интересные факты

• В 1940-х годах для производства пенициллина использовались барботажные реакторы объёмом всего 10–20 литров, а современные промышленные ферментеры достигают 500 м³.
• Размер пузырьков в барботажных реакторах может варьироваться от 0,5 мм (мембранные барботёры) до 50 мм (перфорированные трубы). Оптимальный диаметр для большинства процессов — 3–5 мм.
• В некоторых конструкциях для повышения эффективности массообмена используются вибрационные барботёры, создающие пульсирующий поток газа.
• Барботажные биореакторы применяются в космической биотехнологии — на МКС проводятся эксперименты по культивированию микроорганизмов в условиях микрогравитации с использованием барботажа.
• В России барботажные биореакторы производятся на предприятиях «Биотехнология» (Москва), «Химмаш-Аппарат» (Екатеринбург) и «НПО «Биотех» (Санкт-Петербург).

Источники

• Биотехнология: учебник для вузов / под ред. Н. А. Войнова, Т. Г. Волова. — М.: Издательство Юрайт, 2020.
• Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.
• Дорохов И. Н., Кафаров В. В. Системный анализ процессов химической технологии. — М.: Наука, 1989.
• Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. — М.: Академия, 2003.
• Патент РФ № 2 345 140 «Барботажный биореактор», 2009.
• Статья «Bubble Column Reactors» в Encyclopedia of Bioprocess Technology, 1999.