Обычно в процессах биотрансформации, даже если они осуществляются живыми клетками микроорганизмов, целевым продуктом является не биомасса, а продукт биотрансформации.

Наилучшим способом при этом является непрерывный процесс, в котором через аппарат протекает жидкость, а пространство аппарата заполнено иммобилизованным биокатализатором, который остается в аппарате в течение довольно продолжительного времени.

Рассмотрим технологические схемы реализации процесса биотрансформации.

Проточный аппарат с мешалкой, заполненный гранулами биокатализатора (рис. 12.15). На выходе потока из биореактора нужны сетчатые или пористые фильтры, задерживающие гранулы биокатализатора. При этом в аппарат можно «вогнать» достаточно много биокатализатора. Но для аэробных процессов биотрансформации возникают проблемы со снабжением гранул кислородом. Мы знаем, что для обеспечения высоких значений KLa требуется интенсивное перемешивание, а для гранул биокатализатора еще возрастает кажущееся значение Qp, так что массопередача нужна больше, чем для свободных клеток, мешалка при этом может разрушать и истирать гранулы.

Рис. 12.15. Схема биореактора
с механическим перемешиванием:
1 – биореактор; 2 – фильтр; I – субстрат;
II – продукт

Аппарат с упакованной насадкой биокатализатора (рис. 12.16). Концентрация биомассы или фермента в рабочем объеме аппарата возрастает, что, конечно, хорошо, но одновременно возникают проблемы с аэрацией для аэробных процессов. В анаэробных процессах (например, получение спирта) такое оформление процесса вполне приемлемо и даже оптимально. При наличии потребности в кислороде можно использовать модификацию аппарата – секционирование его на невысокие секции, для которых хватает запаса растворенного в жидкости кислорода, с промежуточной аэрацией жидкостного потока.

Рис. 12.16. Схема биореактора с неподвижной
насадкой гранул биокатализатора:
1 – корпус; 2 – фильтрующие сетки;
3 – насадка биокатализатора; I – субстрат; II – продукт

Аппарат с псевдоожиженной насадкой (рис. 12.17). В этом случае гранулы биокатализатора под воздействием протекающего раствора и подаваемого в аппарат для аэрации воздуха постоянно движутся в растворе, что обеспечивает хороший коэффициент массопередачи между жидкостью и биокатализатором. Более интенсивный гидродинамический режим обеспечивает более высокое значение коэффициента массопередачи кислорода от воздушных пузырьков к жидкости, чем в аппарате с насадкой.

Рис. 12.17. Схема биореактора
с псевдоожиженным слоем биокатализатора:
1 – корпус; 2 – фильтрующие сетки;
3 – псевдоожиженный слой биокатализатора;
I – субстрат; II, IV – воздух; III – продукт

Недостаток – меньшее количество работающего биокатализатора и механическое воздействие на гранулы вследствие их соударений, вызывающее разрушение и истирание гранул.

Аппарат с внутренним контейнером биокатализатора (рис. 12.18). В аппарате имеется контейнер, заполненный гранулами катализатора. Контейнер имеет перфорированные или сетчатые стенки и днище и вращается с помощью привода относительно вертикальной оси. Подаваемый снизу воздух насыщает жидкость кислородом и частично циркулирует через контейнер благодаря отверстиям в днище и стенках. Такой аппарат лучше, чем традиционный аппарат с мешалкой, однако гранулы внутри контейнера, отбрасываемые центробежной силой к цилиндрической стенке, частично застревают в отверстиях или в сетках контейнера и разрушаются или истираются под действием соударений.

Рис. 12.18. Схема реактора с внутренним вращающимся
контейнером гранул биокатализатора:
1 – корпус аппарата; 2 – перфорированный вращающийся контейнер;
3 – псевдоожижен- ный слой гранул биокатализатора; 4 – барботер;
5 – уровень жидкости в аппарате; 6 – вращающийся вал;
I – субстрат; JI – воздух; III – продукт

Реакторы с трубками, заполненными биокатализатором (рис. 12.19). Жидкость протекает через эти трубки, при этом субстрат с участием биокатализатора постепенно преобразовывается в продукт.

В отношении аэрации – те же проблемы, что и для насадочно- го биореактора.

Для анаэробных процессов некоторое преимущество заключается в более организованном потоке жидкости через трубки, отсутствии застойных зон (т. е. более полном использовании биокатализатора).

Рис. 12.19. Схема биореактора с трубками,
заполненными гранулами биокатализатора:
1 – корпус аппарата;
2 – трубки, заполненные биокатализатором;
3, 4 – трубная решетка;
I – раствор субстрата; II – раствор продукта

Реакторы с трубками, имеющими диффузионно-проницаемые стенки (см. рис. 12.19). Трубки заполнены биокатализатором, а межтрубное пространство – обрабатываемым раствором, который может аэрироваться. Надо отметить, что массопередача кислорода за счет диффузии через стенку трубки недостаточна по сравнению с прямой массопередачей жидкость–газ с интенсивным перемешиванием.

Интересной модификацией является реактор, в котором имеются полые трубки, а межтруб"ное пространство заполнено биокатализатором (рис. 12.20). Трубки не имеют стенок, они как бы вырезаны в теле иммобилизованного биокатализатора. Получается это следующим образом: биокатализатор вместе с гелеобразователем (каррагинаном) в жидком виде заливают в сосуд, заполненный стержнями; затем биокатализатор застывает (полимеризуется), а стержни вынимаются, образуя полые каналы для протекающего раствора.

Рис. 12.20. Схема биореактора с трубками,
имеющими диффузионно-проницаемые стенки:
1 – корпус аппарата; 2 – трубная решетка;
3 – иммобилизованный биокатализатор;
4 – полые каналы для обрабатываемого раствора;
5 – уровень жидкости в аппарате;
I – раствор субстрата; II – раствор продукта;
III – вход воздуха; IV – выход воздуха

В отношении аэрации система несколько лучше – воздух бар- ботирует через жидкость, без гранул биокатализатора; поверхность биокатализатора контактирует с аэрированной жидкостью напрямую, без мембраны.

Реакторы, в которых фермент или клетки иммобилизованы на мембранах, проницаемых для субстрата, продуктов и кислорода. Возможно выполнение реактора в виде пластинчатого «сэндвича» из плоских мембран (рис. 12.21) или в виде свернутых в рулон мембран, в промежутках между которыми проходит поток (рис. 12.22). При этом жидкость поступает в полости между мембранами, заполненными ферментом, и проходит через их поры, выходя из полостей, не заполненных ферментом.

Рис. 12.21. Схема пластинчатого мембранного биореактора:
1 – вход раствора субстрата; 2 – выход продукта;
3 – иммобилизованный биокатализатор; 4 – движение жидкости

Рис. 12.22. Схема рулонного мембранного биореактора:
1 – корпус аппарата; 2 – рулонный элемент;
3 –пространство, заполненное иммобилизованным ферментом;
4 – пространство, куда через полупроницаемые мембраны
рулонного элемента проникает пермеат с продуктом;
I – субстрат; II – продукт