Механические жидкофазные методы. В этих методах биомассу используют в виде суспензии, хотя это уже не просто культуральная жидкость, а достаточно хорошо сгущенная суспензия (с концентрацией биомассы 4–30 %).

Рассматривая проблемы масштабного перехода, мы упоминали о механическом воздействии на клетки. Указывались даже пределы окружной скорости мешалки, которые не нужно превышать, чтобы клетки не повреждались (8 м/с). Может быть, достаточно просто превысить эту скорость, да еще специально сделать мешалки с острыми краями, чтобы достичь нужного эффекта? Что-то в этом роде используется для измельчения и гомогенизации растительных и животных тканей – гомогенизаторы. Однако эффективность таких устройств по отношению к клеткам не столь радикальна. Для бактерий размером 0,5–1 мкм никакие острые края мешалок не будут достаточно остры, разве что для нежных клеток животного происхождения.

Наиболее распространены в этом классе баллистические дезинтеграторы, напоминающие по своей конструкции шаровые мельницы. Эти дезинтеграторы имеют камеру с вращающимся ротором (или просто вращающуюся камеру).

Камера заполняется специальными мелющими телами – стеклянными или полимерными шариками – и обрабатываемой суспензией микроорганизмов. Размеры шариков порядка 0,3–0,5 мм (установлено, что эти размеры являются оптимальными). Далее обеспечивается вращение ротора и воздействие мелющих тел на клетки путем истирания, раздавливания.

Чем выше скорость вращения барабана (а скорости здесь достигают 2000 об/мин и более), тем больше эффективность дезинтеграции.

Эффективность оценивается по величине R – отношению концентрации разрушенных клеток к исходной концентрации клеток, загруженных в дезинтегратор.

Концентрация микроорганизмов в суспензии не влияет на качество дезинтеграции в довольно широких пределах (40–200 г/л).

Недостатки баллистических дезинтеграторов:

• сложность устройства;
• большая энергоемкость;
• низкая производительность;
• разогревание суспензии, которое приводит к порче тех компонентов клетки, ради которых и проводится их дезинтеграция.

Для преодоления последнего из перечисленных недостатков используют охлаждение, вплоть до охлаждения сжиженным CO₂, но и это не очень помогает.

Воздействие на клетки перепада давления. В таких дезинтеграторах клетки могут находиться либо во взвешенном состоянии в жидкости (тогда она пропускается через сопло), либо в замороженном состоянии (тогда их продавливают через узкую щель методом экструзии).

В первом случае действуют два эффекта: кавитационный с образованием срезающих турбулентных пульсаций и декомпрессионный, в результате которого при резком сбросе давления клетка как бы взрывается изнутри.

Во втором случае влияют именно механические воздействия кристаллов льда на стенки клетки.

В жидкостном варианте давление создается плунжерным насосом или прессом. Величина давления варьируется от 10 до 210 МПа, чаще - 50–55 МПа.

Экспериментально установлена связь показателя эффективности R с давлением:
 (14.1)
где N – число «пропусканий» суспензии через дезинтегратор; P – давление в дезинтеграторе.

Почти кубическая зависимость от давления показывает, что его надо увеличивать. Но и здесь надо проводить мероприятия по охлаждению зоны декомпрессии.

Недостатки этого способа: необходимость высоких давлений; низкая производительность (отверстие мало!); плохая работа на мицелиальных микроорганизмах (они забивают отверстие даже при столь высоких перепадах давления).

Те же недостатки характерны и для экструзии. Здесь давления достигают 550 МПа! Ясно, что этот способ можно использовать лишь в лаборатории.

Ультразвуковая дезинтеграция. Применяются частоты озвучивания суспензии 15–25 кГц. Здесь также происходит нагрев суспензии.

Для больших масштабов метод мало применим, так как отсутствуют мощные генераторы ультразвука, к тому же в толстых слоях жидкости происходит гашение звука.

В табл. 14.1 представлена сравнительная чувствительность отдельных видов клеток к разрушению различными механическими методами.

Таблица 14.1. Чувствительность клеток к разрушению различными методами*

* Оценка выражена в баллах от 1 до 7 в порядке возрастания чувствительности, определенной по показателю ΔE₂₆₀

Показатель эффективности дезинтеграции R колеблется в широких пределах – от 10–20 % до 90–95 % и даже до 100 % с различными, конечно, затратами.

Энергетические затраты составляют для баллистических дезинтеграторов 0,3–1 Дж/мг биомассы и для нагнетательных дезинтеграторов 0,5–1 Дж/мг биомассы (это очень большие затраты).