CC BY
184
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И УПАКОВКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
ТЕМА НОМЕРА Щ
УДК 663.18: 66.081.6
Мембранный биореактор -
новое гибридное оборудование
для производства пищевых БАВ, биопрепаратов и очистки стоков
В. Л. Кудряшов, канд. техн. наук
ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва
В последние годы начинают широко применяться мембранные биореакторы (МБР). Они основаны на оптимальном сочетании биореакторов (ферментеров, дрожжегенераторов, аэротенков, метантенков) с мембранными модулями (ММ) и /или с мембранными установками (МУ).
В МБР реакции протекают одновременно с выделением (разделением) их продуктов на полупроницаемых мембранах. Они выгодно отличаются как от систем с иммобилизованными (на различных носителях и мембранах) катализаторами, ферментами и микроорганизмами так и от биореакторов для глубинного культивирования микроорганизмов и гидролиза (ферментолиза, автолиза) высокомолекулярных соединений, дрожжей и др. микроорганизмов. От первых -тем, что ферменты (катализаторы, микроорганизмы-продуценты) находятся в растворе и биохимические реакции не лимитируются медленно протекающей диффузией, а от вторых - возможностью смещения биосинтеза или гидролиза в сторону образования целевых продуктов.
Это происходит в соответствии с одним из основных законов химической термодинамики (принципом смещения равновесия Ле-Шателье -Брауна) - удаление продукта из зоны реакции сдвигает равновесие в сторону его образования.
ММ или МУ в составе МБР создают предпосылки и возможности: - увеличения концентрации продуктов биосинтеза и степени биоконверсии сырья, теоретически до 100%;
- уменьшения объемов биореакторов за счет увеличения скорости биокатализа путем постоянного и непрерывного обновления питательной среды и вывода целевых продуктов и метаболитов, а также повышения концентрации продуцентов или ферментов;
- значительно (в разы) сокращать расход ферментов за счет многократного их использования;
- создавать принципиально новые способы управления процессами биосинтеза и биоконверсии.
Множество сфер применения МБР в науке и производстве можно разделить на две группы:
Субстрат
Субстрат
К.Ж.
К.Ж.
Рис. 1 Принципиальная блок-схема МБР
а и б - с погруженными (встроенными) и выносными (напорными) мембранными модулями, соответственно: 1 - биореактор; 2 - мембранный модуль; 3 и 4 - вакуумный и объемный жидкостной насосы
- проведение биоконверсии (фер-ментолиза, автолиза, гидролиза);
- осуществление биосинтеза путем культивирования микроорганизмов-продуцентов.
В настоящее время используют два основных типа МБР - с погружными (встроенными) и выносными (напорными) ММ, представленные на рис. 1. В обеих используются ММ с ультрафильтрационными (УФ) или /и микрофильтрационными (МФ) мембранами.
Наибольшее распространение в промышленности к настоящему времени получили безнапорные МБР с погруженными ММ (МБР/ПММ) в основном при очистке сточных вод. Они представляют собой погруженные в аэротенк (метантенк) половолоконные ММ через которые культурольная жидкость (к. ж.) или вода фильтруются за счет отсоса вакуумом.
Прошедший через мембраны пер-меат (к. ж. или вода) практически не содержат концентрируемые в объеме биореакторов ферменты или микроорганизмы, которые обычно практически полностью задерживаются полупроницаемой мембраной.
В МБР с выносными ММ (МБР / ВММ) разделение осуществляется под давлением (напором) при циркуляции смеси ил - вода (культуры) через проточные ММ с помощью насоса поз. 4.
Как показали проведенные в лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) ВНИИПБТтеоретические и экспериментальные исследования -в пищевой биотехнологии могут применяться МБР/ПММ только в разбавленных средах и при использовании в качестве продуцентов молочнокислых, пропионовокислых, уксуснокислых и др. бактерий.
Широкое применение в этой отрасли могут найти МБР/ВММ, которые имеют следующие преимущества и возможности:
- оптимального объединения в единую систему всех различных существующих к настоящему времени серийных типов как биореакторов так и ММ или МУ;
- использования ММ с любой необходимой поверхностью, создания в их межмембранных каналах оптимальных гидродинамических режимов и рабочих давлений;
- включения в состав МБР двух и более ММ для поочередной безостановочной регенерации мембран, в том числе укомплектованных мембранами с различающимися диаметром пор, что позволяет на различных стадиях процесса биокатализа регулировать состав субстрата и це-
а
левых БАВ, а также номенклатуры и типов используемых ферментов и микроорганизмов;
- поддержания оптимальных температур как в биореакторах так и в ММ.
В то же время длительное проведение биоконверсии и особенно микробиосинтеза при непрерывном режиме в МБР/ ВММ затруднено из-за возможности заражения посторонней микрофлорой.
Эффективным способом воздействия на биологические объекты являются ультразвуковые (УЗ) установки. Биовоздействие УЗ на клетки, ткани и биополимеры определяется его интенсивностью (мощностью) и частотой, а также длительностью. При низкой интенсивности (до 0,3 до 1,0 Вт/см2) и высокой частоте УЗ положительно влияет на процессы биосинтеза, так как увеличивает проницаемость клеточных мембран, ускоряет процессы диффузии и обмена веществ [1 - 4].
Так, при обработке УЗ-ом спиртовых дрожжей в разы возрастает активность инвертазы и стимулируется их рост [1]. Воздействие на пекарские дрожжи УЗ с частотой 425 кГц в течение 1 ч повышает бродильную энергию и подъемную силу на 15 - 18%; при частоте 380 и 740 кГц на 45 - 60% увеличивается содержание эргостерина [2]. Здесь же показано, что для исключения вредного воздействия УЗ на дрожжи необходимо осуществлять предобработку субстрата.
В работе [3] также показана эффективность воздействия УЗ на питательную среду - содержание СВ в суспензии помолов зерна по сравнению с контролем (без УЗ-обработки) повышается на 4 - 6%.
Аналогичные результаты показаны в статье [1] при исследовании подготовки спиртового сусла с УЗ обработкой и без. При УЗ воздействии увеличивалось содержание СВ на 4,3%, редуцирующих сахаров - на 19,2%, а также количество азотосодержа-щих веществ, в том числе аминного азота.
Доказана эффективность воздействия УЗ и на воду в которой образуются адсорбционно активные радикалы. При обработке зерна такой водой интенсифицируется деструкция его оболочек [4].
УЗ высокой интенсивности (сопровождающийся кавитацией) используется для дезинтеграции клеток, стерилизации и дезинфекции, так как способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина, ионизации молекул воды, изменению рН, местному пере-
EQUIPMENT FOR FOOD PRODUCTION AND PACKING
Эффективность воздействия комбинированной УЗ+УФО установки марки УОВ на выживаемость колиформных бактерий при обеззараживании сточной и водопроводной воды
Показатели До обработки, КОЕн После обработки, КОЕк Метод контроля Степень обеззараживания (КОЕн /КОЕк) раз
ОКБ, кое / 100 мл 620 000 900 780 000 2100 Отс 24 000 МУ 2.1.5 800 - 99 295 2,5
ТКБ, кое/100 мл 200 Отс » -
Колифаги, БОЕ / 100 мл 483 - 717 16,1 807 458 6 - 21 Отс 174 42 » 80,5 - 34,1 4,6 4 10,9
греву и инактивации ферментов. При использовании дезинфицирующих веществ совместно с УЗ эффект достигается при значительно меньших концентрациях.
Обобщение наших и литературных данных позволило сделать вывод, что в структуру МБР на стадиях биосинтеза, биоконверсии, подготовки воды и субстрата должны включаться УЗ установки с регулируемой мощностью и частотой для оптимизации их действия.
Эффективным методом стерилизации является также ультрафиолетовое облучение (УФО) которое при длине волны порядка 254 нм проникает в микроорганизмы, поглощается ДНК нарушая ее структуру, что приводит к прекращению процесса их воспроизводства. Но, из-за экранирования УФО слоями воды, субстрата и близкорасположенными (верхними) слоями микроорганизмов достигнуть 100%-ной стерилизации только с его помощью не удается.
Устранить этот недостаток и достигнуть синергического эффекта можно за счет совмещения УФО с УЗ воздействием, которое обеспечивает отлипание частиц субстрата, разрушение колоний микроорганизмов и их доставку в зону облучения, что подтверждается и нашими НИР.
Эксперименты проводили на комбинированной УЗ+УФО установке модели УОВ (созданной ООО «НОВОТЕХ-ЭКО» и ОАО «Александра +» на водопроводной воде и воде после биологической очистки на спирткомбинате «Петровский», результаты которых пред-ставлены в таблице.
Видно - действие УЗ +УФО позволяет уменьшить содержание бактерий от 10 до 300 раз.
В МБР / ВММ используются питающие и циркуляционные насосы, внутри которых образуются значительные механические воздействия, которые могут приводить к инактивации ферментов, а также к гибели
микроорганизмов. Значительные напряжения сдвига образуются также при прокачивании культуры в межмембранных каналах ММ. Эти воздействия характеризуются напряжением сдвига у = -|_т (dwx/dy) (Па), где: | - динамическая вязкость, Па-с; dwx/ dy - градиент скорости течения жидкости вдоль оси х, с-1; dy - размер частицы, м.
Чем крупнее молекула, тем длиннее ее полипептидная цепь и больше внутримолекулярных ковалентных связей стабилизирующих ее натив-ную конформацию. Отсюда требуются большие внешние усилий для ее деструкции. Поэтому, механостабиль-ность ферментов должна возрастать с увеличением их молекулярных масс. Это подтверждается тем, что общие потери ß-галактозидазы (ММ = 540 000) составили 20%, в то время как грибной липазы (ММ = 40 000) при таких же у -45% [5].
Степень инактивации ферментов зависит также от их структуры, величины у, продолжительности воздействия и выражается формулой -А /Ао = е-Кинт, где: Ао и А - начальная и текущая активности, ед/мл; т -время воздействия, час; Кин - константа скорости инактивации, с-1.
Обобщенные данные влияния продолжительности гидродинамических воздействий в МУ на инактивацию некоторых ферментов при близких значениях у представлены на рис. 2
[5, 6].
Напряжения сдвига в насосах и межмембранных каналах влияют также и на выживаемость микрга-низмов. Это подтверждается нашим обобщением и анализом данных из источника [7] применительно к реальным условиям работы МУ, входящих в МБР по выживаемости молочнокислых бактерий Lactococcus lactis (кокки - 0,5 мкм), Streptococcus thermophilus (кокки - 0,9 мкм) и Bifidobacterium bifidum (палочки 2х5 мкм) в зависимости от скорости сдвига в каналах и количества проходов через них (см. рис. 3, 4).
ТЕМА НОМЕРА
А/Ас 1,0
0.S
0.6
0,-1
0,2
4^
2
3
: : ■■ . ч
Рис. 2. Влияние продолжительности гидродинамических воздействий в мембранных установках на инактивацию некоторых ферментов 1 - глюкоамилаза (ММ = 97000);
2 - нейтральная протеиназа (ММ = 36000...38000);
3 - щелочная
С/Сп-1СС %
:■ .?■■■■ : п
Рис. 3. Выживаемость клеток (С/Со) в МБР в зависимости от количества проходов через мембранный модуль (п, раз) при скорости сдвига 2045 с-1
Lg(KOE/vrn) 10
1
■ а ■ •
А 2
_____3
-■ .1 I--: : :■■■ п
Рис. 4. Концентрация клеток в МБР в зависимости от количества проходов через мембран-ный модуль п (раз) при скорости сдвига 1ССС с-1: 1 - Lactococcus lactis; 2 -Streptococcus thermophilus; 3 - Bifidobacterium bifidum
Скорость сдвига Vy = V/ h, где: V - скорость в межмембранном канале, м/с; h - высота канала, м.
Количество проходов рассчитывали путем деления объема культуры, прокаченного внутри МУ в соответствующее время на ее исходный объем. Видно, что Lactococcus lactis устойчив при скорости сдвига 2С45 с-1, а Streptococcus thermophilus и Bifidobacterium bifidum только до Vy = 1ССС с-1.
Для уменьшения гидродинамических воздействий в МБР следует использовать поршневые и мембранные насосы, а также центробежные с пониженными коэффициентами быстроходности.
На основе обобщения теоретических и экспериментальных НИР была разработана обобщенная блок-схема двухступенчатого МБР (рис. 5), предназначенного для проведения как процессов биосинтеза с применением микроорганизмов-продуцентов, так и процессов биоконверсии (ферментолиза, автолиза) с одновременной очисткой и концентрированием целевых БАВ и добавок.
Краткое описание процесса биоконверсии в МБР. Процесс биоконверсии (гидролиза), например, автолиз или ферментолиз пекарских дрожжей осуществляется следующим образом.
В биореактор 1 подается раствор нативных дрожжей, в котором создается соответствующая оптимальная температура и рН. В случае проведения ферментолиза в него дополнительно вводится соответствующий препарат или мультиэнзимная композиция. С целью интенсификации гидролиза суспензия дрожжей насосом 5 прокачивается через УЗ установку 7. Для обеспечения микро-
биологической частоты используется установка УФО 8.
При достижении требуемого уровня гидролиза суспензия (за счет соответствующего переключения трехходового крана 10) подается в МФ (УФ) установку 3, через которую проходят низкомолекулярные полипептиды и аминокислоты и собираются в биореакторе 2. Высокомолекулярные соединения - ферментные препараты, непрогидролизованные белки и остатки клеточных стенок концентрируются в биореакторе 1. По мере опорожнения 1 в него непрерывно вводятся нативные дрожжи. При этом нет необходимости в введении новой порции ферментных препаратов.
Низкомолекулярные соединения подаются насосом поз. 6 напрямую или через промежуточный биореактор 2 в мембранную обратноосмо-тическую (ОО) или нанофильтраци-онную (НФ) установку 4, где концентрируются с получением жидкого глубокоочищенного высококонцентрированного сиропа аминокислот и коротких полипептидов.
Краткое описание процесса биосинтеза в МБР. Биосинтез осуществляется аналогично процессу описанному выше. Только вместо ферментов вводятся микроорганизмы-продуценты и соответствующие субстраты. При потребности в кислороде в биореактор 1 подается воздух.
При достижении в 1 требуемой активности (концентрации целевого продукта) культура прокачивается через УФ установку 3 в которой целевой продукт отделяется от культуры и направляется для концентрирования в установку 4. При этом в биореактор 1 добавляется субстрат.
В процессе НИР на основе системного подхода были разработаны теоретические основы и методология
Сырье
ферменты
продукты
11
Ферменты
14
X х У
\
\
Вода
.. 9
12 " 0
Рис. 5. Обобщенная блок-схема универсального двухступенчатого мембранного биореактора для биокатализа бАв и добавок: 1 и 2 -биореакторы; 3 и 4 - мембранные МФ (УФ) модули и НФ (ОО) модули; 5 и 6 - насосы низкого и высокого давления; 7 и 8 - проточные УЗ-и УФО установки; 9 - теплообменники
EQUIPMENT FOR FOOD PRODUCTION AND PACKING
q, л/м2-ч
120
100
SO
60
40
20
0
к
Рис. 6. Удельная производительность мембран УПМ-50М в зависимости от степени концентрирования по объему ^н^к) гидролизованной ферментом ALPHALASETM FP2 (1; 1/1) и нативной подсырной сыворотки без его введения (2; 2/1): Р=0,14 МПа; Х=47°С; Ш=5,0 м/с
Примечание. После проведения первого цикла ферментолиза и концентрирования (зависимость 1) фермент на второй цикл (1/1) не добавлялся, а использовался его концентрат с первого цикла
мольном процессе на хлебопекарные свойства муки/ Т. П. Волохова // Хранение и переработка сельхозсырья. -2000. - № 5. - С. 33 - 34.
5. Щербак, В.Э. Анализ потери активности при ультрафильтрации ферментов./ В.Э. Щербак [и др.] //. Всесоюзная конференция «Биотехника-86», Грозный, 1 - 3 июля 1986 г. М.: - 1986. -С. 183 - 185.
6. Федоренко, Б.Н. Ферменты и мембраны: основы взаимодействия/Б. Н. Федоренко // - М.: МГУПП. - 2002. - 195 с.
7. Влияние напряжений сдвига на выживаемость молочнокислых бактерий в процессе микрофильтрации // Дипломная работа Сидоркина И. МХТУ им. Мендилеева. - 2011. - 113 с.
8. Кудряшов, В.Л. Перспективы применения плоских металлокерамических мембран в отраслях АПК и пищевой биотехнологии/ В.Л. Кудряшов // Российская конференция «Мембраны-95» -М.: - 1995. - С. 191.
REFERENCES
синтеза, проектирования и оптимизации МБР из существующих биореакторов и МУ, причем любой производительности с учетом перерабатываемого сырья, вида штаммов-продуцентов, требуемой конечной концентрации БАВ и др. факторов.
Установлено, что в первую ступень МБР должны входить ММ с высокими межмембранными каналами, в качестве которых из отечественных типов подходят: модули с плоскими полимерными мембранами ООО «Гидротех», керамическими ООО «Керамикфильтр» и металло-керамическими «ТгитетТМ» [8]. Они позволяют проводить процессы биокатализа при высокой вязкости субстратов, а также при содержании в них взвешенных веществ с размерами до 1 - 3 мм и более. В качестве проточных УФО и УЗ установок рекомендуется оборудование, выпускаемое ООО «Александра+».
Отработана также методология включения в МБР мембранных элементов для стерилизации как подаваемого в его аэраторы, так и отходящего воздуха.
Для получения недорогих ферментов, пищевых кислот, витаминов, аминокислотных добавок и др. БАВ необходимо располагать недорогими исходными субстратами к которым относятся: молочная сыворотка; картофельный сок; кукурузный экстракт; пекарские, кормовые и остаточные пивные дрожжи и др. вторичное сырье предприятий АПК, что по-
зволяет решать и экологические проблемы.
Проведенные нами НИР по получению БАВ из этого вторичного сырья в условиях, моделирующих работу МБР подтвердили его чрезвычайно высокую эффективность. В качестве примера на рис. 6 приведены экспериментальные сравнительные данные по двум последовательным циклам ферментолиза и концентрирования гидролизованной ферментом ALPHALASETM РР2 и нативной подсырной сывороток.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнова, И.В. Способ получения сусла в производстве спирта с ультразвуковой обработкой сырья/И. В. Смирнова, А.Н. Кречетникова, М.В. Гернет // Хранение и переработка сельхозсырья. -2007. - № 9. - С. 68 - 69.
2. Паландова, Р.Д. Анализ методов активации хлебопекарных дрожжей и альтернативный вариант/ Р. Д. Па-ландова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2000. - № 8. -С. 19 - 22.
3. Шарова, Н. Ю. Влияние ультразвука и инфракрасного излучения на углеводный состав для получения пищевой добавки - лимонной кислоты./Н.Ю. Шарова [и др.] // Инновационные технологии в пищевой пром-сти: Материалы VIII Междунар. науч-практ. конф. (2009 г.). - Минск.: Минфина, -2009. - С. 21 - 28.
4. Волохова, Т.П. Влияние ультразвуковой обработки зерна и воды в муко-
1. Akberov, K. Ch. Sovershenstvo-vaniya administrativnogo potentsiala sel'skoi territorii/K. Ch. Akberov [i dr.] // Konkurentosposobnost' v global'nom mire: ekonomika, nauka, tekhnologii. -№ 3 (ch. 3). - 2017. - S. 3-9.
2. Chernyakov, M.K. Avtomatizirovannoe rabochee mesto sel'skokhozyaistvennogo kooperatora/ M. K. Chernyakov, M. M. Chernyakova, I.A. Chernyakova // Vestnik Belgorodskogo universiteta kooperatsii, ekonomiki i prava. Mezhdunarodnyi teo-reticheskii nauchno-prakticheskii zhur-nal. (Vypusk 4/65). - Belgorod: 2017. -S. 168-178.
3. Chernyakov, M. K. Analiz i prog-nozirovanie marketingovoi deyatel'nosti na platforme 1S: Organizatsiya/Vestnik Zabaikal'skogo gosudarstvennogo universiteta. Teoreticheskii i nauchno-prakticheskii zhurnal. (Vypusk 9 (112)/2014). -Chita: 2014. - S. 130-138.
4. Chernyakov, M. K. Rol' kooperatsii v povyshenii effektivnosti sotsial'no-ekonomicheskogo potentsiala severnykh territorii/Chernyakov M. K., Chernyakova M. M., Akberov K. Ch.-o. // Pishcheva-ya promyshlennost' - 2017. - № 4. -S. 36 - 39.
5. Chernyakov, M.K. Subsidii kak forma gosudarstvennoi podderzhki sel'skogo khozyaistva/ M. K. Chernyakov [i dr.] // Vestnik Tadzhikskogo natsional'nogo universiteta. Seriya sotsial'no-ekonom-icheskikh i obshchestvennykh nauk. -2017. - № 2 (2). - S. 3-6.
6. Chernyakov, M. K. Upravlenie zanyatost'yu na rynke truda/M.K. Chernyakov, M.M. Chernyakova // Gumanitarnye i sotsial'no-ekonomicheskie nauki. -Rostov-na-Donu. - 2015. - № 2 (81). -S. 139-144.
ТЕМА НОМЕРА
Мембранный биореактор - новое гибридное оборудование для производства пищевых БАВ, биопрепаратов и очистки стоков
Ключевые слова
биоконверсия; биологически активные добавки; биореактор; биосинтез; мембранный биореактор; встроенные ингредиенты; мембранные установки; мембанные элементы; пищевые кислоты; погружные мембранные элементы
Реферат
В последнее годы в мире и России начинают широко применяться мембранные биореакторы (МБР). Они являются принципиально новым гибридным оборудованием состоящим в зависимости от области использования из двух основных элементов: - биореакторов (ферментеров, аэротенков, метантенков) и мембранных установок или модулей объединенных с ними в единую систему. Биореакторы предназначены для биосинтеза высокомолекулярных биопрепаратов, пищевых продуктов и биологически активных пищевых добавок или наоборот для гидролиза (ферментолиза, автолиза) высокомолекулярных веществ до легко усваи-ваемых низкомолекулярных ингредиентов, например аминокислот или полипептидов. В МБР биохимические и химические процессы протекают одновременно с выделением (разделением) их продуктов на полупроницаемых мембранах. Они выгодно отличаются как от систем с иммобилизованными катализаторами, ферментами и микроорганизмами так и от биореакторов для глубинного культивирования микроорганизмов и гидролиза, например, пищевых продуктов, пекарских дрожжей и др. микроорганизмов. От первых - тем, что ферменты (катализаторы, микроорганизмы-продуценты) находятся в растворе и биохимические реакции не лимитируются медленно протекающей диффузией, а от вторых - возможностью смещения биосинтеза или гидролиза в сторону образования целевых продуктов. Это проис-ходит в соответствии с одним из основных законов химической термодинамики (принципом смещения равновесия Ле-Шателье - Брауна) - удаление продукта из зоны реакции сдвигает равновесие в сторону его образования. В статье описана структура МБР двух основных типов с погружными (встроенными) и выносными напорными мембранными модулями. Показано, что наибольшее распространение в промышленности к н. вр. получили безнапорные МБР с погруженными мембранными модулями, в основном для очистки сточных вод. В пищевой биотехнологии наибольшее распространение получили МБР с выносными мембранными установками при производстве молочной, пропио-новокислой, уксусной и лимонной кислот. В статье показана целесообразность использования в составе МБР ультрафиолетовых и ультразвуковых установок для интенсификации массообмена в их биореакторах. Приведены экспериментальные данные и теоретическое обоснование по инактивации ферментов, выживанию и концентрированию клеток микроорганизмов в МБР. Описано протекание как процессов биосинтеза так и процессов биоконверсии в реальных МБР. Приведена обобщенная блок-схема универсального двухступенчатого МБР лля биокатализа пищевых ингредиентов и биопрепаратов.
Авторы
Кудряшов Вячеслав Леонидович, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 109240, Москва, Устьинский проезд, д. 2/14
Membrane bioreactor is a new hybrid equipment for the production of food biologically active substances, biological products and wastewater treatment
Key words
bioconversion; dietary supplements; bioreactors; biosynthesis; membrane bioreactor; integrated ingredients; membrane installation; membrannye elements; food acid; submerged mem-brane elements
Abstracts
In recent years, membrane bio-reactors (MBR) are beginning to be widely used in the world and in Russia. They are a fundamentally new hybrid equipment consisting, depending on the field of use, of two main elements: bioreactors (fermenters, aerotanks, methane tanks) and membrane plants or modules combined with them into a single system. Bioreactors are designed for biosynthesis of high molecular biologics, food products and biologically active food additives, or vice versa for hydrolysis (enzymeolysis, autolysis) of high molecular weight substances to easily digestible low molecular weight ingredients, for example, amino acids or polypeptides. In MBR, biochemical and chemical processes occur simultaneously with the release (separation) of their products on semipermeable membranes. They favorably differ both from systems with immobilized catalysts, enzymes and microorganisms and from bioreactors for deep cultivation of microorganisms and hydrolysis, for example, food products, baker's yeast and other microorganisms. From the first - the fact that enzymes (catalysts, microorganisms, producers) are in solution and biochemical reactions are not limited by slow-flowing diffusion, and from the second - the possibility of biosynthesis or hydrolysis bias towards the formation of the target products. This occurs in accordance with one of the basic laws of chemical thermodynamics (the principle of shifting the balance of Le Chatelier-Brown) - the removal of the product from the reaction zone shifts the equilibrium toward its formation. The article describes the structure of MBR of two main types with immersion (builtin) and remote pressure membrane modules. In food biotechnology, the most widely used MBR with remote membrane plants in the production of lactic, propionic, acetic and citric acids. The article shows the expediency of using ultraviolet and ultrasonic devices in the MBR to intensify mass transfer in their bioreactors. Experimental data and theoretical justification for inactivation of enzymes, survival and concentration of microorganism cells in MBR are presented. The course of both biosynthetic processes and bioconversion processes in real MBR is described. A generalized block diagram of a universal two-stage MBR for the biocatalysis of food ingredients and biologics is given.
Authors
Kudryashov Vyacheslav Leonidovich, Candidate of Technical Sciences, Institute of Food Biotechnology - FIC branch of nutrition, biotechnology and food safety, d. 2/14, Yst'ensky proezd, Moscow, 109240
