scan0078 3

94

nia przemiany. W reaktorach z mieszaniem mechanicznym lub w aparatach fluidalnych występują zjawiska ścierania cząsteczek stałego nośnika. Aparaty te wymagają zatem nośnika o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej.

Bardzo ważną wielkością określającą przydatność nośnika jest rozmiar jego cząsteczek. Jeżeli materiał biologiczny umieszczony jest wewnątrz cząsteczek nośnika, to wraz ze zwiększaniem rozmiarów tych cząsteczek rosną opory transportu dyfuzyjnego wewnątrz ziaren i zmniejsza się ogólna szybkość przemiany. Z dntgiej strony, małe ziarna mogą mieć niedostateczne własności mechaniczne, wymagają ponadto większego zużycia energii na przetłaczanie płynu przez złoże.

Aparaty z unieruchomionym materiałem biologicznym mogą być aparatami o działaniu okresowym lub aparatami przepływowymi (o działaniu ciągłym). Głównym przeznaczeniem reaktorów tego typu są procesy ciągłe, gdyż w procesach tych można w pełni wykorzystać wszystkie zalety związane z unieruchomianiem materiału biologicznego.

Wśród aparatów przepływowych stosuje się zarówno reaktory z wymieszaniem, w których nośnik stanowi zawiesinę w ciekłym substracic, jak i reaktory z nieruchomą warstwą nośnika, w których przepływ zbliżony jest do przepływu tłokowego. Reaktory z wymieszaniem stosowane są w tych przypadkach, gdy zbyt wysokie stężenie substratu może działać hamująco na przebieg przemiany lub gdy występują duże opory ruchu masy do ziam nośnika. Reaktory z wymieszaniem mają ograniczone zastosowanie w procesach, w których występuje hamowanie produktem przemiany, gdyż w całej objętości reaktora komórki (lub enzymy) narażone są na najwyższe końcowe stężenie produktu. Aparaty z tłokowym przepływem medium są odpowiednie do prowadzenia przemian beztlenowych. Dla procesów aerobowych trudno jest zapewnić właściwe natlenienie i zachować tłokowy przepływ mediów.

Szczególnym rozwiązaniem technicznym aparatów z unieruchomionymi komórkami są bioreaktory z obrotowymi dyskami. Mikroorganizmy kolonizują powierzchnię dysków, które są częściowo zanurzone w roztworze. Rozwiązanie takie pozwala w prosty sposób napowietrzać hodowlę unieruchomionych komórek. Reaktory z obracającymi się dyskami stosowane są do oczyszczania ścieków, ale również mogą być z powodzeniem stosowane do różnego typu procesów z grzybami mikroskopowymi.

Wiele czynników może powodować zakłócenia w pracy fermentorów. Zaburzenia przepływów, występowanie tzw. stref martwych itp. mogą powodować lokalnie duże różnice pH roztworu i w rezultacie dezaktywację enzymów, hydrolizę substratów lub produktów.

W trakcie eksploatacji reaktorów z unieruchomionymi enzymami lub komórkami występuje zmniejszanie się aktywności enzymatycznej w czasie. Przyczyny tego zjawiska mogą być różne:

- ubytek materiału biologicznego na skutek zniszczenia nośnika, jego rozpuszczania w płynie lub uwalniania materiału biologicznego z nośnika.

-    ubytek aktywności w wyniku denaturacji enzymów lub działania inhibitorów,

-    zmniejszania się powierzchni kontaktu między substratami a materiałem biologicznym w wyniku pokrywania nośnika różnymi substancjami lub nieregularności przepływu płynu przez reaktor,

_ zanieczyszczenie reaktora obcymi drobnoustrojami.

Szybkość utraty aktywności biologicznej zależy od warunków prowadzenia procesu takich jak: temperatura, skład roztworu, rodzaju immobilizacji oraz własności materiału biologicznego.

SA. Bioreaktory membranowe

Półprzepuszczalnc membrany mogą spełniać w bioreaktorach kilka zasadniczych funkcji: służyć do oddzielenia biomasy (reaktory z recyrkulacją biomasy), wydzielenia produktów przemian biochemicznych, unieruchomienia materiału biologicznego bądź oddzielenia przestrzeni reakcyjnych o różnych funkcjach. Bioreaktory membranowe można zasadniczo podzielić na dwie grupy: mikrobiologiczne bioreaktory membranowe, w których zachodzi wzrost drobnoustrojów i enzymatyczne bioreaktory membranowe, w których prowadzone są reakcje enzymatyczne.

Mikrobiologiczne reaktory membranowe

Najczęściej wykorzystywaną funkcją membran w mikrobiologicznych reaktorach membranowych jest zatrzymywanie biomasy drobnoustrojów. Uzyskuje się dzięki temu zwiększenie stężenia drobnoustrojów w reaktorze, co zwiększa szybkość procesów biochemicznych oraz przeciwdziała wymywaniu biomasy, prowadząc do zwiększenia produkcyjności. Ograniczenia w stosowaniu technik membranowych związane są z zarastaniem membran (ang. fouling), a także nagromadzeniem komórek nieaktywnych.

Wykorzystanie membran do wydzielania produktów metabolizmu pozwala na efektywne prowadzenie hodowli w przypadku gdy produkty hamują wzrost drobnoustrojów. Z uwagi na spełnianie przez bioreaktor dwóch funkcji (hodowla i separacje) często tego typu procesy określa się mianem procesów zintegrowanych. Przykładem może być wykorzystanie reaktora membranowego do prowadzenia fermentacji mlekowej. Komórki bakterii mlekowych zatrzymywane są w przestrzeni reaktora, zaś kwas mlekowy przenika przez membranę i jest odprowadzany na zewnątrz. Bioreaktory membranowe zostały z powodzeniem wykorzystane do prowadzenia fermentacji etanolowej, produkcji kwasu cytrynowego, kwasu octowego oraz preparatów enzymatycznych. Usu-