Газоферментационные реакторы

В обычной ферментации углерод приходит растворённым, и переносить нужно только кислород. В газовой ферментации газом приходит и то и другое. Ацетогены, работающие по пути Вуда–Льюнгдаля, восстанавливают монооксид и диоксид углерода до ацетил-КоА и далее до этанола или ацетата, а донором электронов служит монооксид углерода или водород; водородокисляющие бактерии делают сопоставимое аэробно. В любом случае субстрат должен раствориться прежде, чем клетка сможет его тронуть, поэтому ограничение, изложенное в статье системы культивирования высокой плотности, распространяется и на источник углерода — причём на несопоставимо больший мольный поток.

Растворимость: тот же барьер, только хуже

Константы Генри для монооксида углерода и водорода ниже, чем для кислорода — у водорода примерно вдвое, — так что равновесная концентрация, создающая движущую силу, ещё меньше. Само по себе это терпимо. Нетерпимо другое: речь идёт о субстрате. Аэробная дрожжевая ферментация переносит кислород для дыхания, тогда как углерод входит растворённым в концентрациях порядка граммов на литр; газовому ферментёру приходится протаскивать сквозь ту же тонкую плёнку каждый атом углерода будущего продукта. Скорость производства поэтому почти тождественна скорости переноса, и публикуемая продуктивность следует за kLa теснее, чем за любым свойством штамма.

Энергетика усугубляет картину. Ацетогенез запасает крайне мало энергии на моль субстрата, поэтому выход биомассы низок и основная доля перенесённого углерода обязана уходить в продукт, а не в клетки. Медленно растущую культуру нельзя просто уплотнить — её приходится удерживать, и мембранные устройства удержания появляются здесь по той же причине, что и в перфузии.

Почему геометрия — колонна

Ответ дают газосодержание и время контакта, а не перемешивание. Барботажные колонны и газлифтные петлевые аппараты высоки: пузырёк долго живёт в жидкости, а гидростатический столб на глубине поднимает парциальное давление и вместе с ним местную движущую силу. Циркуляцию создаёт сам газ за счёт разности плотностей в подъёмной и опускной секциях, что избавляет от мощного привода и уплотнения крупной мешалки. Высота покупает степень использования газа, а именно она решает экономику: непрореагировавший монооксид углерода или водород, уходящий сверху, либо сбрасывается как потеря, либо сжимается и возвращается, а сжатие плохо растворимого газа дорого. Конструкцию оценивают по доле питающего газа, превращённой за один проход, а не по одному лишь титру.

Ограничение, которое не биологическое

Аэробная газовая ферментация на водороде обязана подавать водород и кислород в одну и ту же среду. Водород горюч в воздухе в необычно широком диапазоне составов и в значительной его части способен детонировать, поэтому рабочая смесь должна во всех точках системы оставаться вне области воспламенения — обычно за счёт удержания кислорода заметно ниже нижнего предела для данной смеси, причём это условие должно выполняться и в газовом пространстве аппарата, и в контуре рециркуляции, и в любом тупиковом участке. Такой потолок по доле кислорода прямо ограничивает движущую силу его переноса, а значит и скорость роста. Здесь достижимую продуктивность задаёт не организм, а граница безопасности — положение необычное и объясняющее, почему эти процессы встречаются реже анаэробных.