атов ведет к их полному «сжиганию» до С02 и Н20, в анаэробных условиях микроорганизмы образуют ценные низкомолекулярные продукты — спирты, ацетон, органические кислоты. Внимание биотехнологов к анаэробным процессам повышается в связи с дефицитом нефти и природного газа.

Твердофазные и газофазные процессы. Многие биотехнологические процессы основаны на взаимодействии трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Имеются процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она лишь увлажняет твердую поверхность и (или) воздух (газ). В зависимости от преобладающей фазы такие процессы и соответствующие им аппараты обозначают как твердофазные или газофазные.

Твердофазные процессы, осуществляемые, как правило, на базе растительного сырья, проводят с использованием различных организмов, но чаще всего речь идет о мицелиальных грибах и дрожжах, нередко их комбинациях в условиях смешанного или последовательного культивирования. Различают три типа твердофазных процессов.

1. Поверхностные процессы. Слой субстрата, например соломы, не превышает 3—7 см («тонкий слой»). Роль биореакторов выполняют большие, площадью до нескольких квадратных метров, подносы из алюминия или культивационные камеры (рис. -9).

2. Глубинные твердофазные процессы в неперемешиваемом слое («высокий слой»). Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов такого типа разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвективный газообмен (Е. Л. Головлев и др., 1985).

3. Твердофазные процессы в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, которая может быть гомогенной (полужидкий навоз) или состоять из частиц твердого субстрата, взве-. шенных в жидкости (переходный вариант между твердофазным процессом и процессом в жидкой фазе). Обычно используют биореакторы с низкоскоростными мешалками. Перемешивание при обилии твердой фазы травмирует биообъект, что особенно ощутимо для мицелиальных грибов (Е. Л. Головлев, 1985). Мягкое перемешивание достигается при использовании шнековых (винтовых) мешалок или если биореактор представляет собой вращающийся барабан. Примером этого варианта служит микробиологическое выщелачивание сернистых соединений из каменного угля, который суспендируют в минеральной среде в виде гранул (F. Kargi, J. М. Robinson, 1985).

Интерес к твердофазным процессам объясняется их преимуществами в сравнении с процессами, протекающими в жидкой среде: 1) они требуют меньших затрат на оборудование и эксплуатацию; 2) характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта; 3) низкое содержание воды в субстрате препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой; 4) в отличие от процессов в жидкой фазе твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду большого количества сточных вод — потенциального источника ее загрязнения (F. Kargi et al., 1985).

Твердофазное культивирование вызывает и определенные проблемы. В большинстве твердофазных процессов отсутствует перемешивание, рост микроорганизмов происходит по принципу колонизации: по мере размножения они распространяются из точек внесения в субстрат по всему его объему. При этом отдельные зоны в толще субстрата избыточно населяются клетками и возникает локальная нехватка питательных ресурсов, в то время как значительная часть субстрата остается незатронутой. Преодоление этой проблемы связывают с внесением возможно большего количества посевного материала, распределяемого по всему объему субстрата. Рекомендуется периодическое культивирование с многократным отъемом части субстрата с биомассой и внесением эквивалентного количества перемешиваемого свежего субстрата — аналог отъемно-доливочного культивирования. Такой полунепрерывный режим предотвращает истощение питательных веществ в зонах роста биообъекта по толще субстрата,

воздух

Рис. 9. Биореактор (культивационная камера) для твердофазного поверхностного культивирования (по A. L. Abdullah et al., 1984): субстрат (солома) опирается на металлическую сетку (не обозначено); отработанный газ покидает аппарат через лоры в крышке (/); стеклянная вата (2) образует фильтр, предохраняющий биореактор от попадания посторонней микрофлоры Рис. 10. Биореактор для газофазного культивирования (по О. Moebus, М. Teu-ber, 1984). Поток газа ускоряется расположенным в циркуляционном контуре насосом. На рисунке не показаны приспособления для вода подачи газа и сбора жидких летучих продуктов, осевших на стенках холодильника:

/ — змеевик; 2 — сопло для подачи газа-носителя

так как на место использованного регулярно поступает свежий субстрат. Колонизация субстрата облегчается при его предварительной обработке, например, предгидролизом.

До конца не разрешенной проблемой является контроль за эффективностью аэрации различных участков субстрата, температурой и уровнем влажности. Это связано с неоднородностью условий в толще твердого субстрата вследствие затруднений с его перемешиванием. Разрабатывают малотравматичные режимы механического перемешивани