и исследовать макрокинетику процесса — динамику потоков жидкости, газа, теплоты. На этапе пилотного биореактора выбирают тип аппарата, который далее применяют в промышленном масштабе. Реализация биотехнологического процесса в промышленных масштабах требует значительных капиталовложений и текущих затрат; к работе необходимо привлечь обслуживающий персонал, поэтому предварительно следует убедиться, что процесс «пойдет» не только в лабораторных аппаратах, но и после масштабного перехода к большим установкам. Масштабная модель создается путем перехода от лабораторных биореакторов к пилотным.

Чтобы облегчить конструирование пилотных биореакторов и апробировать их различные варианты, создают специальные наборы стандартных унифицированных деталей, которые можно соединять и компоновать в различных сочетаниях. Переход к унификации деталей пилотных и промышленных биореакторов — важная тенденция современной биотехнологии (P. J. Ваггег, 1983).

На этапе промышленного реактора производят синтез кинетических и стехиометрических характеристик, полученных на лабораторном аппарате, с гидродинамическими, массо- и тепло-обменными закономерностями процесса, выявленными на пилотном биореакторе. При масштабировании параметры процесса не могут сохраниться в неизменном виде. Наиболее существенно то, что при одной и той же среде культивирования и конструкции аппарата, при совпадающих температурах, рН и скорости перемешивания уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться — факт, замеченный еще в 1940— 1950 гг. при организации крупномасштабного производства антибиотиков.

В лабораторных биореакторах, особенно в так называемых «мини»-аппаратах (менее 1 л), процесс может протекать вообще без перемешивания. По мере увеличения объема биореактора даже при интенсивном перемешивании в аппарате появляются зоны неоднородности, недостаточной аэрации, массообменные характеристики различаются по зонам реактора. Промышленный биореактор можно уподобить лабораторной установке, состоящей из двух сообщающихся реакторов малого объема, из которых перемешивается и аэрируется только один, а другой соответствует зоне слабого перемешивания и аэрации (N. М. G. Oos-terhues et al., 1985). Важно подчеркнуть, что если изготовить точную миникопию промышленной конструкции, то такой лабораторный реактор будет характеризоваться высокой однородностью среды и аэрации. Этот пример показывает, что для сохранения параметров процесса при изменении объема аппарата нередко требуется менять его конструкцию, жертвовать второстепенными характеристиками ради сохранения главных.

Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы различаются по условиям теплообмена. В лабораторных аппаратах одним из основных «генераторов теплоты» служит механическая мешалка (если она используется), вклад метаболических процессов в разогрев среды незначителен. При разности температур между средой и охлаждающим агентом около 5° для эффективного теплообмена достаточно теплообменной рубашки по всей высоте реактора. Можно также поместить его в водяную баню. В пилотном биореакторе соотношение между поверхностью и объемом аппарата снижается, что затрудняет теплообмен через стенки аппарата. При переходе к промышленному реактору это соотношение уменьшается еще более, так что внешней теплооб-менной рубашки часто оказывается недостаточно для эффективного отвода теплоты, приходится вводить внутренние теплообмен-ные элементы. По мере увеличения объема аппарата резко возрастает теплопродукция в ходе диспергирования газа в жидкости (так называемая пневматическая энергия). Это объясняется увеличением толщины слоя жидкости, через который проходят пузыри газа на пути от аэратора к поверхности среды культивирования (В. В. Бирюков, Л. М. Кузьмина, 1984).

Из всего сказанного ясно, что при переходе от лабораторного биореактора к пилотному и далее к промышленному необходимо наряду с объемом менять конструкцию и режим работы аппарата. Сложная и дискуссионная проблема — какие характеристики процесса, непосредственно определяющие его yGHex, необходимо сохранить? Так, наряду с сложными параметрами, математическое выражение которых включает сочетание ряда характеристик процесса и оборудования (К.Г.Федосеев, 1977; В. В. Бирюков, Л.М.Кузьмина, 1985; В.В.Бирюков, В. М. Кантере, 1985), рекомендуют сохранить неизменным объемный коэффициент массопередачи 02. Однако этот коэффициент — ненадежный критерий успеха масштабирования, например, для процесса получения пенициллина (В.В.Бирюков, Л.М.Кузьмина, 1984). Не менее сложным является выбор критериев оценки гидродинамического режима, теплообмена, пеногашения. Отметим, что при масштабировании возрастает и становится серьезной проблемой брызго-унос — унос потоком прошедшего через аппарат газа капель среды, образующихся при разрушении пенных пузырей пеногасите-лями.

Основными этапами масштабного перехода служат, таким образом, лабораторные, пилотные и промышленные аппараты. Центральной проблемой здесь является выбор надежных критериев м