Використання мембран в процесі культивування

На теперішній час в мікробіологічній, харчовій та фармацевтичній промисловості виробляється більше 100 біохімічних продуктів, отриманих за допомогою процесів культивування. За останні роки до таких традиційних продуктів мікробного синтезу, як антибіотики, стероїди, ферменти і органічні кислоти, додалися завдяки успіхам генної інженерії інтерферон, інсулін, гормони росту, моноклональні антитіла та інші

Використанні проточних ферментерів виявляється обмеженим. Оскільки клітини в культуральній рідині суспендовані, використання їх виявляється неможливим, так як приводить до «вимивання» клітин із апарату. Використання ферментерів із псевдозрідженим шаром обмежено малою швидкістю подачі поживного середовища із-за незначної різниці густин мікроорганізмів і рідин, що подаються. Це вимагає проводити процеси в основному в ферментерах періодичної і квазіперіодичної дії, де ріст мікробної біомаси обмежений вичерпним поживним середовищем і накопиченням продуктів біосинтезу.

Ефективним вирішенням проблеми масообміну в ферментерах являється використання напівпроникних мембран, що затримують суспендовані клітини, але пропускаються продукти біосинтезу і компоненти поживного середовища. Це забезпечило проведення культивування в постійно оновлюючому середовищі, що привило до інтенсифікації процесу ферментації і суттєвому підвищенню густини культури.

Отриманий в процесі культивування фільтрат використовується для наступного виділення і очищення ферментів та інших цільових продуктів ферментації. Додатковою перевагою такого підходу є те, що нестабільні продукти, наприклад, білки, легко піддаються дії протеаз і можуть бути видалені з культуральної рідини по мірі одержання, тобто найбільш високій можливій концентрації.

В залежності від типу мембран розрізняють три режими роботи мембранних ферментерів: діаліз, ультра - і мікрофільтрація.

В режимі діалізу в потік пермеату через мембрану проникають тільки метаболіти, а живлення субстратом здійснюється через потік діалізату, що забезпечує економічне використання поживного середовища. Недоліком методу діалізного культивування являється низький масообмін, що б потребувало великих площ мембран і як наслідок ускладнило б конструкцію апарату.

Застосування ультрафільтрів виявилось неефективним, оскільки видалення тільки низькомолекулярних інгібуючих продуктів не приводило до суттєвого росту густини культури, який в цьому випадку обмежувався високомолекулярними інгібіторами.

В загальному випадку застосування мембранних методів приводить до подовження активної фази росту і більш високої кінцевої концентрації клітин.

Рисунок 14. Залежність густини культури N і масової концентрації біомаси С від часу для мембранного (темні точки) і контрольного (світлі точки) культивування:

(·о) – Serratia marcescens; ( ) – відповідно мікрофільтраційне, діалізне і контрольне культивування E. coli; ( ) – Pedicocus pentosaceus.

Конструктивне оформлення мембранних ферментерів являються надзвичайно різноманітними. Це зумовлюється тим, що досі не розроблені конструкції мембранних реакторів для промислового використання і не існує серійного випуску стандартних дослідних установок. Як правило, мембранні ферментери виготовляються для конкретної цілі, і тому асортимент їх досить широкий, однак всі вони можуть бути розділені на дві групи: з вбудованою мембраною і з винесеною мембранною коміркою. Апарати другої групи найбільш перспективні для промислового використання, оскільки в них можливо застосовувати промислові мембранні методи відомих конструкцій з мінімальними цінами і суміщеннями з стандартними апаратами. Перевагою цієї групи апаратів являється також можливість розвинути поверхню до будь-якої необхідної величини, а також створити в контурі будь-який необхідний гідродинамічний режим. Для дослідницьких цілей використовувати апарати другої групи недоцільно, оскільки під час знаходження у виносному контурі керувати процесом культивування практично неможливо.

На рисунку 15 наведені дві основні конструкції мембранних ферментерів першої групи з вбудованою мембраною (а) і мембранними модулями, що обертаються (б). Недоліком першої конструкції являється високий рівень концентраційної поляризації поверхні мембрани, обумовлений як відносно високими концентраціями культуральних суспензій, так і низької ефективності зниження рівня концентраційної поляризації за допомогою мішалок. Разом з тим, зниження інтенсивності перемішування обмежено можливою інактивацією клітин, що культивуються, а також макромолекул біологічно активних продуктів.

Рисунок 15. Схема ферментера з вбудованою мембраною (а) і мембранним модулем, що обертається (б):

а: 1 – підкладка; 2 – мембрана; 3 – перфорований диск; 4 – мішалки; 5 – об’єм ферментера;

б: 1 – мішалки; 2 – мембрана; 3 – об’єм ферментера; 4 – підкладка; 5 – порожнистий вал для виводу фільтрату.

Цього недоліку позбавлений запропонований Маргаритісом в 1978 р ферментер з обертовим мембранним модулем, що забезпечує ефективне зниження рівня концентраційної поляризації без шкідливих наслідків інтенсивних режимів перемішування. Використання ферментера Маргаритіса виявилося настільки ефективним, що дозволило за його допомогою проводити навіть суспензійне культивування надзвичайно лабільних і сприйнятливих до зсувних навантажень клітин.

Застосування мембранних ферментерів виявилося особливо ефективним в процесах мікробіологічного синтезу низькомолекулярних продуктів, що пов’язано з високою затримуючою здатністю як ультра - та і мікрофільтраційних мембран, що працюють в режимах гелевої поляризації.

Розглядаючи інтенсифікацію процесів культивування, необхідно згадати ще про одну важливу область застосування мембран – і створення мембранних датчиків з іммобілізованими ферментами чи клітинами. Важливість використання таких біодатчиків обумовлюється можливістю комп’ютеризації процесів ферментації. Для чого необхідний оперативний контроль процесу по більшому числу параметрів. В найпростішому випадку мембрана може бути використана для неперервного відбору проб. Але значно більш перспективно використання функціональних мембран з іммобілізованими ферментами.

В останні роки технологія біодатчиків розвивалася в напрямку розширення асортименту чутливих біологічних елементів, включаючи мультиферментні послідовності, субклітинні органели (мітохондрії), цілі бактеріальні, а також рослинні і тваринні клітини.