Що таке ферментер? Як розрахувати його геометричний об’єм та вибрати з переліку стандартних? Усі ці питання виникають, коли розглядаємо аеробні процеси мікробного синтезу. Здається все дуже просто - розрахували об’єм культуральної рідини, що необхідно отримати за цикл ферментації, врахували коефіцієнт заповнення ферментера і отримали приблизний геометричний об’єм майбутнього ферментера. Потім за таблицею технічних характеристик ферментерів вибрали найближчий стандартний за об’ємом і можна відпочивати.
Але, як виявилось, не все так просто. Коли розглядаєш таблицю стандартних ферментерів, то з’ясовується, що при тому ж самому геометричному об’ємі, апарат має різні геометричні розміри, потужність перемішуючого пристрою та його оберти змінюються в досить широких межах. І тоді виникає класичне питання, що робити далі і які саме характеристики ферментера слід обрати? Відповідь не це питання можна знайти, коли з’ясовуєш, що є лімітуючою стадією в аеробних процесах мікробного синтезу?
Багатьом мікроорганізмам, як і людині, для нормальної життєдіяльності конче потрібен кисень, що знаходиться у повітрі. Відомо, що його кількість в повітрі невелика і складає не більше 21% від об’єму повітря. Мікроорганізми, які ми культивуємо глибинним методом, тобто у ферментері з рідким поживним середовищем, отримують кисень лише в розчинному вигляді з повітря, яке ми подаємо у ферментер через спеціальний аеруючий пристрій – барботер. Враховуючи низьку розчинність кисню (6-8 мг на 1 куб.м поживного середовища) і, навпаки, велику потребу в ньому нашого мікроорганізму-біологічного агента, мусимо постійно та безперервно подавати це повітря у ферментер.
Крім того, бульбашки повітря, за рахунок великої різниці у густині з культуральною рідиною, бажають якомога швидше полишити культуральну рідину, тобто «всплисти», а отже швидкість розчинення кисню при цьому стає досить малою. Це може спричинити т.з. «кисневе» голодування культури з усіма наслідками для її максимальної продуктивності по цільовому продукту. Вчені-дослідники дійшли висновку, що для збільшення швидкості розчинення кисню слід максимально подрібнити бульбашки повітря, оскільки швидкість всплиття бульбашок малого діаметру мала, і вони більше затримуються в культуральній рідини.
Яким чином це можна досягнути в ферментері? Перш за все, за рахунок використання барботерів з великою кількістю отворів з малим діаметром, по-друге, проектування спеціальних конструкцій перемішуючих пристроїв, які диспергують (подрібнюють) великі бульбашки повітря. Ці великі бульбашки повітря утворюються за рахунок того, що малі бульбашки, після того як вони вийшли з барботера, об’єднуються між собою аби зменшити загальну поверхню, і це явище носить назву «коалесценція». Отже їх знову слід подрібнити і цим займається відкрита турбінна мішалка.
Виникає питання – а від чого залежить ефективність диспергування повітря, і від так, швидкість розчинення кисню, яка має не допустити «кисневе голодування» нашого біологічного агента? Який критерій ефективності цього процесу, і як він пов’язаний з характеристиками процесу біосинтезу? Вчені запропонували такий критерій, і він носить назву об’ємний коефіцієнт масопередачи по кисню Кv (Kla – в іноземній літературі) і має розмірність [год-1] або [c-1]. Він залежить від кількості енергії, яка вводиться на 1 куб.м культуральної рідини як за рахунок стисненого аераційного повітря, так і за рахунок механічної енергії перемішуючого пристрою. Він також залежить від кількості повітря, що подається у ферментер. Чим більше повітря та енергії, тим більше значення Кv, а отже тим більше кисню розчиняється в культуральній рідині, і, відповідно, ми можемо більше отримати як біомаси, так і цільового продукту.
Отже в залежності від заданої продуктивності процесу слід вибирати ферментер із відповідною потужністю двигуна та кількістю обертів мішалки, який забезпечить відсутність лімітування процесу по кисню. На цьому принципі і побудована класифікація ферментерів.
Власне вирішенню цих питань і була присвячена відкрита лекція доцента кафедри біотехнології і мікробіології Юрія Васильовича Карлаша для студентів 4 курсу, які вивчають дисципліну «Основи проектування біотехнологічних виробництв». У продемонстрованій під час лекції презентації були представлені різноманітні конструкції ферментаційного обладнання. Деталізовано вибір аеруючих та перемішуючих пристроїв для потреб конкретних технологій. Лектор у доступній формі розповів про те, як виконати всі необхідні розрахунки, не пропустивши жодного критерію. Виявляється це дуже непросте питання: вибір ферментаційного обладнання для аеробних процесів мікробного синтезу. Але значний досвід викладацької і практичної виробничої діяльності лектора дозволив навіть складні технологічні задачі пояснити зрозумілою для здобувачів мовою.
Крім того, присутні ознайомились з інноваційною одноразовою ферментаційною апаратурою, яка нині широко застосовується як при культивуванні мікроорганізмів, так і для культивування клітин рослин та тварин. А для кращого розуміння принципу дії одноразової ферментаційної апаратури лектором навіть було продемонстровано та прокоментовано відеофрагмент, присвячений особливостям конструкції одноразового ферментера фірми «Thermo Scientific» та деталізації роботи з ним, зокрема його встановленню, підключенню та безпосередньому проведенню технологічного процесу культивування.
Запрошені на відкриту лекцію викладачі кафедри біотехнології і мікробіології відзначили тісний контакт з аудиторією, який лектору вдалося налагодити, навіть користуючись інтернет-зв’язком. На заняттях з таких дисциплін як «Основи проектування біотехнологічних виробництв» студенти отримують фундаментальні знання для майбутнього професійного становлення кожного біотехнолога і дуже пощастило всім, хто може навчатись у Юрія Васильовича, адже він без перебільшення є одним з небагатьох висококваліфікованих фахівців-практиків в цій галузі. Саме завдяки таким викладачам випускники нашої кафедри здатні повністю самостійно спроектувати економічно рентабельне, ефективне біотехнологічне підприємство.
Всі колеги, присутні на занятті, відмітили, що лекція була пізнавальною не лише для студентів, а й для викладачів. Без перебільшення можна стверджувати, що у всіх гостей та безпосередніх учасників заняття залишилось загальне позитивне враження від проведеної лекції.
