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.
МЕМБРАННЫЕ РЕАКТОРЫ
Мембранный реактор представляет собой аппарат, в котором одновременно осуществляется проведение двух процессов - управляемого культивирования свободных микроорганизмов в объеме реактора и удаление продуктов (и замены их субстратом) с помощью мембранного модуля. В зависимости от расположения мембранного модуля мембранные реакторы разделяют на те, у которых мембрана является элементом конструкции самого реактора, а также на реакторы с выносными фильтрационными модулями (по форме реакторы могут быть плоскими, половолокнистыми и др.). Эксплуатация реакторов первого типа происходит в более строго контролируемых условиях, однако замена мембраны осложнена (замена мембраны необходима, так как она неизбежно засоряется клеточными обломками и коллоидными частицами). Этот недостаток исключается в реакторах второго типа, однако им присуща опасность заражения, а также циклически неконтролируемых изменений давления и концентрации компонентов в выносном фильтрационном модуле.
Материал фильтрационных мембран может быть различным - керамические и металлокерамические фильтры, стерилизуемые полимерные матрицы, ионообменные мембраны. По типу мембраны разделяются на фильтрационные и диализные: в первом случае массоперенос через мембрану осуществляется за счет разницы давления над и под мембраной; во втором - за счет градиента концентраций над и под мембраной.
Принципиальная схема мембранного реактора, у которого мембрана является элементом его конструкции, приведена на рис.8а Реактор с выносным модулем представляет собой реактор с перемешиванием (с гомогенной средой) и циркуляцией среды через модуль. Третий тип мембранного реактора относится к тому случаю, когда клетки каким-либо образом прикреплены к мембране или находятся внутри самой мембраны. Чаще всего для этого используют мембраны, представляющие полые волокна, на поверхности которых закреплены клетки и через которые поступает субстрат и одновременно отводятся продукты (рис.8б). Модификацией такого реактора является реактор с двойными полыми волокнами (рис.8в), когда в пористое полое волокно большого диаметра (трубку) заключены полые пористые волокна меньшего диаметра и в межволоконном пространстве находятся клетки. Этот реактор целесообразно использовать, когда субстраты и (или) продукты находятся в жидкой и газообразной фазе. Газообразные компоненты реакционной системы подаются (удаляется) через стенку волокна большего диаметра, а жидкая компонента - через волокно меньшего диаметра.
Установлено, что мембранные реакторы можно использовать для культивирования практически всех эукариотических и прокариотических микроорганизмов, как в аэробных, так и в анаэробных режимах. Их применяют, в частности, для получения ферментов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, органических кислот, этанола, бутанола, ацетона, акриламида.
Мембранные реакторы относятся к ферментационному оборудованию нового поколения. В настоящее время ведутся исследования по использованию функциональных мембран с активными переносчиками, иммобилизованными ферментами, аффинными сорбентами и т.д. В настоящий момент применение мембранных реакторов тормозится определенным дефицитом мембранных материалов и необходимостью ломки традиций и стереотипов.
ПОЛИМЕРНЫЕ БИОМАТЕРИАЛЫ
Под полимерными биоматериалами обычно понимают полимерные материалы и изделия из них, которые используются в медицине или биотехнологии. Такие материалы часто получают путем целенаправленного модифицирования хорошо известных полимеров. За последние годы значительно возросли ассортимент, масштабы производства и значение биоматериалов.
Радиационно-химическая технология в настоящее время стала одним из наиболее эффективных способов получения полимерных биоматериалов. Работы по использованию радиационно-химических методов для синтеза полимерных биоматериалов проводятся в следующих направлениях: радиационное модифицирование различных полимеров и изделий из них с целью получения гемосовместимых (длительно работающих в контакте с кровью) полимеров, полимерных сорбентов, протезов сосудов и т.д.; иммобилизация различных биологически активных веществ (БАВ) (ферменты, лекарства и т.д.) в полимерные матрицы с использованием радиационной полимеризации; радиационно-химический синтез полимеров-носителей лекарственных препаратов; радиационное сшивание полимеров с целью получения механически прочных гидрогелей (носители БАВ, перевязочные материалы глазные линзы и т.д.). Преимуществом радиационно-химических методов получения полимерных биоматериалов по сравнению с традиционными является чистота материалов (нет необходимости добавлять дополнительные ингредиенты (инициаторы полимеризации) при синтезе), возможность проведения процессов при пониженных температурах и легкость регулирования скорости процессов путем изменения мощности дозы излучения. Достоинством радиационно-химических методов является также то, что биоматериалы в некоторых случаях можно стерилизовать на тех же источниках ионизирующих излучений, которые уже были использованы для их получения. Необходимо отметить, что в большинстве случаев для получения полимерных биоматериалов требуются небольшие дозы излучения, как правило, не превышающие 30 кГр, что позволяет использовать источники излучений невысокой мощности.
Недостатком радиационно-химических методов является необходимость применения, как правило, сравнительно дорогостоящих и сложных в эксплуатации источников г-излучения и электронных ускорителей.
Получение гемосовместимых полимерных материалов
Получение гемосовместимых полимерных материалов - весьма сложная проблема. При контакте полимеров кровью инициируются биохимические реакции, вызывающие изменение физиологических функций крови, «запускается» свертывающая система крови с последующим тромбообразованием на поверхности полимера. Важными факторами, повышающими гемосовместимость полимеров, являются такие их свойства, как минимальная способность к адгезии и агрегации тромбоцитов, отсутствие активации контактных факторов свертывания крови, участие в реакции лизиса образующегося тромба и селективная способность к адсорбции белков плазмы крови, в особенности альбумина. Согласно современным представлениям, первой стадией при контакте полимера с кровью является быстрая сорбция белков из плазмы крови. Природа и конформационное состояние белка определяют последующие биохимические реакции.
Проблемы сорбции белков на различных полимерных поверхностях рассматривались в многочисленных исследованиях. К сожалению, в настоящее время уровень наших знаний не позволяет достаточно эффективно прогнозировать природу и свойства полимерной поверхности, полностью удовлетворяющей требованию гемосовместимости.
Из изложенного ясно, что для получения гемосовместимых материалов поверхность полимеров необходимо модифицировать. С этой целью:
1. Создают полимеры с поверхностями, обладающими пониженной адсорбционной способностью по отношению к белкам и близкими по своей природе к естественной среде организма. В основном это гидрогелевые поверхности
2. Создают полимерные материалы с определенной доменной структурой поверхности (полиуретаны).
3. Создают углеродные полимерные материалы (полиацетилены).
4. Создают полимеры, поверхность в которых по своей природе моделирует антикоагулянты крови), что достигается введением в поверхностные слои полимеров сульфо- и карбоксильных групп, созданием отрицательного заряда на поверхности полимеров). Чаще всего стараются получить гепариноподобную поверхность, так как широко распространенный метод получения гемосовместимых материалов путем введения гепарина имеет ряд недостатков, обусловленных частичной утратой активности гепарина при ковалентной иммобилизации, его слабой антикомплементной активностью и биодеструкцией.
5. Вводят в поверхностные гидрогелевые слои физиологически активные вещества (антикоагулянты крови, ферменты и т.д.), взаимо-действующие с компонентами крови и приостанавливающие процесс тромбообразования.
При выборе метода модифицирования поверхности полимеров необходимо учитывать, что основные физико-механические показатели исходного полимера при модифицировании не должны существенно измениться. Одним из наиболее эффективных методов модифицирования полимеров является радиационная прививочная полимеризация.
Достоинствами ее как метода модифицирования полимерных материалов с целью повышения их гемосовместимости являются, во-первых, высокая универсальность, позволяющая в широком диапазоне температур модифицировать практически любые полимерные материалы (шовный материал, катетеры, трубки, таблетки, порошки, трансплантаты и т.д.); во-вторых, возможность создания на поверхности полимеров модифицированных слоев различной толщины. Толщина слоя зависит от условий проведения прививочной полимеризации -- мощности дозы, выбора растворителя для мономера и т.д. При этом модифицированный слой прочно связан с подложкой и не отмывается при контакте со средой живого организма.