Мембранные реакторы. 
Инженерная энзимология

Мембранный реактор представляет собой аппарат, в котором одновременно осуществляется проведение двух процессов — управляемого культивирования свободных микроорганизмов в объеме реактора и удаление продуктов (и замены их субстратом) с помощью мембранного модуля. В зависимости от расположения мембранного модуля мембранные реакторы разделяют на те, у которых мембрана является элементом конструкции самого реактора, а также на реакторы с выносными фильтрационными модулями (по форме реакторы могут быть плоскими, половолокнистыми и др.). Эксплуатация реакторов первого типа происходит в более строго контролируемых условиях, однако замена мембраны осложнена (замена мембраны необходима, так как она неизбежно засоряется клеточными обломками и коллоидными частицами). Этот недостаток исключается в реакторах второго типа, однако им присуща опасность заражения, а также циклически неконтролируемых изменений давления и концентрации компонентов в выносном фильтрационном модуле.

Материал фильтрационных мембран может быть различным — керамические и металлокерамические фильтры, стерилизуемые полимерные матрицы, ионообменные мембраны. По типу мембраны разделяются на фильтрационные и диализные: в первом случае массоперенос через мембрану осуществляется за счет разницы давления над и под мембраной; во втором — за счет градиента концентраций над и под мембраной.

Принципиальная схема мембранного реактора, у которого мембрана является элементом его конструкции, приведена на рис.8а Реактор с выносным модулем представляет собой реактор с перемешиванием (с гомогенной средой) и циркуляцией среды через модуль. Третий тип мембранного реактора относится к тому случаю, когда клетки каким-либо образом прикреплены к мембране или находятся внутри самой мембраны. Чаще всего для этого используют мембраны, представляющие полые волокна, на поверхности которых закреплены клетки и через которые поступает субстрат и одновременно отводятся продукты (рис.8б). Модификацией такого реактора является реактор с двойными полыми волокнами (рис.8в), когда в пористое полое волокно большого диаметра (трубку) заключены полые пористые волокна меньшего диаметра и в межволоконном пространстве находятся клетки. Этот реактор целесообразно использовать, когда субстраты и (или) продукты находятся в жидкой и газообразной фазе. Газообразные компоненты реакционной системы подаются (удаляется) через стенку волокна большего диаметра, а жидкая компонента — через волокно меньшего диаметра.

Установлено, что мембранные реакторы можно использовать для культивирования практически всех эукариотических и прокариотических микроорганизмов, как в аэробных, так и в анаэробных режимах. Их применяют, в частности, для получения ферментов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, органических кислот, этанола, бутанола, ацетона, акриламида.

Мембранные реакторы относятся к ферментационному оборудованию нового поколения. В настоящее время ведутся исследования по использованию функциональных мембран с активными переносчиками, иммобилизованными ферментами, аффинными сорбентами и т. д. В настоящий момент применение мембранных реакторов тормозится определенным дефицитом мембранных материалов и необходимостью ломки традиций и стереотипов.