Концентрация питательных веществ в среде
Растворимость кислорода будет уменьшаться при наличии в среде различных веществ. В насыщенном растворе хлорида натрия растворимость кислорода уменьшается римерно в два раза по сравнению с растворимостью кислорода в чистой воде
Чем выше суммарная концентрация компонентов, тем ниже абсорбция
Суммарная компонентов в среде не должна превышать 10-12 процентов, иначе абсорбция кислорода слишком мала
2. Условия аэрации:
• Диаметр пузырька воздуха
• Количество подаваемого воздуха
• Глубина погружения барботера
Диаметр пузырька: чем меньше d пузырька воздуха, тем больше число пузырьков, следовательно, больше суммарная поверхность пузырьков (f ).
Для уменьшения d пузырька нужно уменьшить d отверстий в барботере, следовательно, количество отверстий увеличивается. Тогда маленькие пузырьки будут располагаться ближе друг к другу и при движении вверх будут сливаться в большой.
Оптимальный d отверстий – 4-5 мм, тогда d пузырька = 1-1,5 мм.
Количество подаваемого воздуха: чем выше расход воздуха, тем больше образуется пузырьков (увеличивается f и vабс).
НО: увеличивается и пенообразование, тогда надо уменьшать коэффициент загрузки, чтобы пена умещалась в ферментаторе, а это всё приводит к уменьшению объёма целевого продукта
Глубина погружения барботера: оказывает влияние на скорость абсорбции до высоты столба жидкости над барботером менее 9 м. При большей высоте скорость абсорбции становится постоянной.
Нужно при этом иметь в виду значение рабочей концентрации кислорода:
- При С 0,25 моль/м3 – существенное влияние (желательная большая глубина погружения)
- При средних концентрациях (0,1 С 0,2 моль/м3 ) глубина погружения барботера не влияет на скорость абсорбции
- При С 0,1 моль/м3 целесообразна небольшая высота столба жидкости над барботером(небольшой ферментатор)
3. Интенсивность перемешивания – очень существенное влияние на скорость абсорбции:
- При усилении перемешивания увеличиваются f и К
- Уменьшается пограничный слой жидкости вокруг пузырька воздуха, следовательно уменьшается сопротивление R4
- Облегчается диффузия кислорода внутри колонии, усиливается потребление кислорода, уменьшается рабочая концентрация кислорода, следовательно, увеличивается движущая сила процесса (Ср – С).
4. Давление в ферментаторе:
«+» - при увеличении Р увеличивается растворимость кислорода, следовательно, увеличивается Ср .
«-» при увеличении Р уменьшается размер пузырька воздуха, следовательно, уменьшается f и К. Итог: скорость абсорбции увеличивается незначительно.
5. Компоненты культуральной жидкости – ПАВ, органические вещества, биомасса
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – две группы:
1) ПАВ питательной среды, ПАВ-метаболиты – белки соевой и кукурузной муки, кукурузного экстракта, продукты метаболизма. Усиливают сопротивление поверхности раздела фаз, следовательно, скорость абсорбции уменьшается.
2) ПАВ-пеногасители – способствуют коалесценции (слиянию) пузырьков воздуха, в результате уменьшается поверхность массопередачи и, следовательно, уменьшается скорость абсорбции
Органические вещества – оказывают двоякое влияние на скорость абсорбции
Пептон уменьшает скорость абсорбции, поэтому для аэробных культру не стоит использовать пептон в ПС
Спирт, ацетон и экзогенные эфиры увеличивают скорость абсорбции, считается, что пузырьки воздуха меньшего диаметра
Биомасса/мицелий – увеличивает вязкость жидкости – скорость абсорбции уменьшается.
6. Температура – при повышении температуры растворимость кислорода уменьшается; уменьшается вязкость КЖ и увеличивается диффузия кислорода. Но этим факторам мы не можем оперировать, потому что при культивировании должна соблюдаться определённая температура
ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
• Растворение и потребление кислорода – непрерывные противоположные процессы, протекающие одновременно.
• Потребление кислорода характеризуется скоростью потребления (интенсивностью дыхания)
• В стационарном состоянии скорость абсорбции равна скорости потребления и концентрация кислорода в КЖ постоянна.
Концентрация кислорода, при которой скорость потребления становится постоянной, называется критической концентрацией кислорода. (на графике)
Концентрация кислорода в КЖ не должна быть меньше критической
Установлено, что Скрит.О2(критическая концентрация кислорода) в КЖ намного меньше Ср
Величина критической концентрации кислорода очень зависит от того в каком виде растёт культура
Если она растёт в виде одиночных клеток, то критическая концентрация кислорода составляет 10 процентов от равновесной концентрации
Если колониями, то критическая концентрация кислорода должна составлять 40 процентов от равновесной концентрации
Не нужно стремиться насытить КЖ кислородом до предела(до равновесной концентрации)
1 уменьшается движущая сила и скорость абсорбции, при повышении количества воздуха увеличение воздуха ведёт к пенообразованию, и увеличение расходов денежных
Объяснение графика:
Для молодой растущей культуры кислорода требуется больше, когда процесс наращивания биомассы прекращается кислорода требуется меньше
Культуры делятся на три группы, они представлены на слайде
Углекислый газ появляется постоянно потому что мы подаём воздух, поэтому он накапливается в КЖ, его избыток оказывает ингибирующее действие на процесс синтеза ЦП
Удаляется СО2 из ферментатора вместе с отработанным воздухом (схема движения СО2 на слайде)
СО2 выходит из клетки в газообразном состоянии, далее он растворяется в КЖ, при растворении образуется легко диссоциирующая угольная кислота, поскольку легко диссоциирует накапливаются анионы НСО3-, далее СО2 сорбируется в пузеречек воздуха и вместе с пузырёчком удаляется из КЖ. Все эти процессы обратимы
Полное отсутствие СО2 тоже может привести к снижению биосинтеза БАВ
Большое количество углекислого газа уменьшается за счёт проведения вентиляции КЖ, то есть периодически на небольшое количество времени увеличивают расход воздуха пропускаемого через КЖ
Тоже три группы
2. Перерыв в 2-3 часа не очень хорошо, потому что пока идёт восстановление интенсивности дыхания. Метаболизм продуцента уже успевает перестроиться на роль биомассы, то есть начинает накапливаться биомасса продуцента, а не ЦП
А) С точки зрения концентрации углекислого газа и максимума максимального накопления целевого продукта существует какая-то конкретная оптимальная концентрация углекислого газа, при которой биосинтез целевого продукта идет максимально по максимально возможному пути. Зная это нужно чтобы концентрация углекислого газа для таких продуцентов не уменьшалась и не увеличивать а находилась как раз над пределах оптимальной концентрации
Б) Существует ряд продуцентов, у которых биосинтез целевого продукта идёт на максимальном уровне в пределах каких-то концентраций углекислого газа, то есть минимальная концентрация есть максимальная концентрация и вот в этих пределах мы должны поддерживать концентрацию co2 в КЖ для того, чтобы достичь максимального выхода
В) Продуценты, у которых целевой продукт синтезируются при небольших концентрациях углекислого газа, а затем при повышении концентрации углекислого газа он начинает ингибировать биосинтез БАВ
Рабочая концентрация кислорода-фактическая концентрация кислорода в данный момент времени в КЖ(она практическая)
Равновесная концентрация кислорода- максимально возможная концентрация кислорода, когда жидкость находится в равновесии с газовой фазой (она теоретическая)