Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методика лабораторного культивирования аэробных микроорганизмов и определение энергетических параметров микробного роста. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Казанский государственный технологический
университет»
С.Г. Мухачев
МЕТОДИКА Л
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
АБОРАТОРНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
МИКРОБНОГО РОСТА
Учебное пособие
Казань
ГТУ
К
2011
УДК 576.8:577.3:663.1
ББК
Мухачев, С.Г.
Методика лабораторного культивирования аэробных
микроорганизмов и определение энергетических параметров
микробного роста: учебное пособие / С.Г. Мухачев.- Казань: Изд-во
Казан. гос. технол. ун-та, 2011. – 80 с.
ISBN 978-5-7882-1106-0
Предметом настоящего пособия является методика реализации
и анализа аэробных процессов подготовки инокулятов и посевных
материалов, стадии наращивания биомасс продуцентов в продуктовых
биореакторах при использовании питательных сред известного и
постоянного состава.
Пособие предназначено для студентов специальности 240803
«Рациональное использование материальных и энергетических
ресурсов», а также может быть адресовано студентам и аспирантам
технологических специальностей, изучающим и применяющим
методы микробиологического синтеза.
Подготовлено на кафедре химической кибернетики.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета.
Рецензенты: проф. И.А. Якушев
ст. препод. А.Р. Каюмов
ISBN 978-5-7882-1106-0 Мухачев С.Г., 2011.
Казанский государственный
технологический университет, 2011.
1
Обозначения
Условные сокращения:
АСБ Абсолютно сухая биомасса
КЖ Культуральная жидкость
КИПиА Контрольно измерительные приборы и
средства автоматизации
МЭС Макроэргическое соединение
ост. Остаточная концентрация
% об. Объемный процент
GT Газовый тракт
Принцип построения обозначения величины параметра:
)(0n
b
П
а
ijk
где: П – обозначение (символ) параметра; a – место измерения
параметра (аппарат, линия, емкость, поток, фаза и др.), а также
символ компонента; b – точка измерения параметра (вход,
выход, участок, доза, проба); 0 или О – указание на приведение
параметра к стандартным или иным условиям, например,
растворение газа в жидкости; i – порядковый номер значения
параметра (номер измерения, строки таблицы данных); j, k –
вспомогательные индексы для порядковых номеров значений
параметров, номеров потоков и др.; (n) – номер или символ
режима, технологического изменения, эксперимента.
Строчные буквы – абсолютные значения величин;
прописные буквы – удельные значения величин.
Обозначения концентраций веществ:
концентрация компонента в газовой фазе;
[c] –
с – концентрация компонента в жидкой фазе;
∆с – изменение (приращение значения) параметра.
2
От общего принципа имеются некоторые отклонения,
связанные с общепринятыми обозначениями, например,
концентрация биомассы обозначена как x.
Таблица обозначений основных параметров
Обозна-
чение
Наименование параметра Размерность
1 2 3
t Время процесса час, мин
∆t Шаг дискретизации замеров мин
Время задерки потока в линии
∆τ
газового тракта; период подачи
сек
доз субстрата
V
L
d
V
Объем неаэрированной жидкости
в биореакторе
л
Объем дозы жидкого компонента мл
Vпр Объем пробоотборника мл
вых
V
GT
вх
v
G
вых
v
G
v
обр
m
ρ Плотность жидкости г/см
n
Свободный объем выходного
газового тракта
Расход газового потока на входе в
биореактор
Расход газового потока на выходе
из биореактора
Расход газа, измеренный
образцовым расходомером при
выполнении тарировки
Массовый расход потока
жидкости
Число поданных доз, отобранных
проб
л
л/мин
л/мин
л/мин или
г/мин
г/час
3
-
3
Продолжение табл.
1 2 3
A, G, F Индексы, показывающие место
измерения параметра
соответственно: атмосфера,
газовый поток, ферментер
(биореактор)
Т
Температура в биореакторе ºС
F
вых
T
G
Температура газового потока на
выходе из конденсатора
биореактора
PF Избыточное давление в
биореакторе
вых
P
G
Избыточное давление в выходном
газовом тракте
PA Атмосферное давление мм.рт.ст.
PО Парциальное давление кислорода
в газовой фазе биореактора
ψ Влажность газа объемная
x Концентрация биомассы гАСБ/л
c
S
c
N
c
P
c
O
Концентрация субстрата г/л
Концентрация источника азота г NH3 / л
Концентрация продукта г/л
Концентрация растворенного
кислорода
∗
c
O
Равновесная концентрация
растворенного кислорода
Не Константа равновесия (константа
Генри)
-
ºС
ати
ати
мм.рт.ст.
доля паров
воды
г/л
г/л
мм.рт.ст·л/г
4
Продолжение табл.
1 2 3
KLa Коэффициент массопередачи час-1
µ, rX Удельная скорость роста час-1
θ(2) Время удвоения концентрации
час
биомассы (удвоения популяции)
RX Скорость роста биомассы г АСБ/час
R
S
RN Скорость потребления источника
Скорость потребления субстрата г/час
г NH3 / час
азота
RO Скорость потребления кислорода г/час
RC Скорость продуцирования
г/час
углекислого газа
rO Удельная скорость потребления
г/л·час
кислорода
rC Удельная скорость
г/л·час
продуцирования углекислого газа
RQ Дыхательный коэффициент г СО2 /г О2
Y Экономический или расходный
г/г
коэффициент
Р Продуктивность биореактора г/л·час
Мk Масса раствора (общее
г
количество) k –того компонента
М
Молекулярная масса K –того
K
г/моль
компонента
γ Степень восстановленности
органического соединения
редоксон
атом С
H Теплота сгорания кДж/моль
Rq Метаболическая теплопродукция кДж/час
rq Удельная метаболическая
теплопродукция
η Энергетический КПД процесса
вт/л =
кВт/м3
–
биосинтеза
5
Окончание табл.
1 2 3
nм Скорость вращения мешалки об/мин
CHqOr Молекула субстрата –
CHbNcOd
Молекула биомассы –
Wo Электрическая мощность
двигателя привода мешалки при
незаполненном биореакторе
Электрическая мощность
W
двигателя привода мешалки в
рабочем режиме
Эффективность затрат механичес-
Э
WO
кой энергии перемешивающего
устройства в аэробном процессе
β Стехиометрический коэффициент –
Выход макроэргических соедине-
E
S
ний с единичного количества
субстрата при его полном
окислении в пересчете на АТФ
Удельные дополнительные
затраты макроэргических
EX
соединений, в пересчете на АТФ,
на синтез биомассы и процессы,
пропорциональные росту
Затраты энергии на поддержание
e
жизнедеятельности в пересчете на
АТФ
вт
вт
кДж/г О
2
моль АТФ
моль S
моль АТФ
моль АСБ
моль АТФ
моль
АСБ·час
6
ВВЕДЕНИЕ
Обычно при реализации биотехнологических
исследований ставится задача обеспечения некоторых заданных
условий культивирования микроорганизмов. При этом
процедуры расчета параметров процесса, как правило, не
рассматриваются на стадии проработки технологической схемы
лабораторной установки. Это ведет к ряду осложнений при
реализации и интерпретации замеров отдельных показателей
или даже к невозможности корректного выполнения некоторых
расчетов. Например, отсутствие конденсаторов влаги на линии
выходного газового потока и осушителя потока может привести
к существенным ошибкам в расчете массы культуральной
жидкости при длительных процессах культивирования,
удельных величин скорости дыхания и других метаболических
скоростей. Отсутствие стабилизатора абсолютного давления в
биореакторе приведет к колебаниям парциального давления
кислорода в газовой фазе при изменениях расхода газа,
подаваемого на аэрацию культуральной жидкости, а также при
изменениях атмосферного давления, что внесет погрешность в
результаты расчета ряда показателей процесса.
Настоящая методика расчета материального баланса
процесса аэробного микробиологического синтеза включает
технологическую схему лабораторного исследовательского
комплекса с конкретными указаниями мест установки
отдельных датчиков и средств измерения. Структура установки
определена из условия корректного расчета материального
баланса и показателей процессов культивирования аэробных
микроорганизмов.
Методика была проверена в условиях проведения
периодических, отъемно-доливных и непрерывных процессов
культивирования аэробных микроорганизмов при аэрации
воздухом.
7
1. СОСТАВ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОГО
БИОРЕАКТОРНОГО КОМПЛЕКСА
Лабораторный биореакторный комплекс измерительноаналитического назначения должен включать ряд систем.
Такими системами (блоками) являются:
1) Биореактор с выносной измерительной ячейкой или
штуцерами для установки датчиков, уровнемером (или
устройством измерения массы культуральной жидкости),
пробоотборником, устройствами перемешивания и
гидромеханического пеногашения, конденсатором влаги на
линии отводимого газового потока с возможностью возврата
конденсата в биореактор. Определение массы (объема)
культуральной жидкости может быть осуществлено и
расчетным путем, если измеряются количества всех подаваемых
и отбираемых компонентов.
Система газоподготовки, обеспечивающая подготовку
2)
газового потока заданного состава (путем смешивания воздуха,
балонного газа, например кислорода, и части отработанного
газового потока), его фильтрующую стерилизацию и подачу на
аэрацию с заданным расходом. В большинстве случаев, в том
числе в рассматриваемом в настоящем пособии варианте
компановки исследовательского комплекса, предусматривается
подача стерильного воздуха без добавок других компонентов.
3) Система газового анализа, обеспечивающая анализ
выходного газового потока, а также стабилизацию избыточного
или абсолютного давления в биореакторе и абсолютного
давления в измерительном газовом тракте (стабилизатор
абсолютного давления, как правило, предусматривается в
комплекте газоанализаторов кислорода и углекислого газа).
8
4) Система подачи жидких компонентов питания,
включающая поддавливаемые стерильным воздухом расходные
емкости, мерники (весовые или объемные) и устройства подачи
(клапаны или насосы).
5) Система термостабилизации, обеспечивающая
заданный температурный режим в реакторе, в термобоксе (в
газовом пространстве, окружающем биореактор, если установка
предусматривает возможность измерения метаболической
теплопродукции с исключением неконтролируемой потери
тепла через стенки аппарата), в зоне расположения устройств
выходного газового тракта и, желательно, датчиков и
электронных усилителей сигналов системы КИПиА, несмотря
на имеющиеся в них устройства термокомпенсации. Последнее
позволяет значительно реже проводить тарировку ряда
измерительных приборов.
Система КИПиА, обеспечивающая измерение
6)
параметров, управление процессами и устройствами, а также
диалог с оператором. При создании системы КИПиА
лабораторного комплекса нет необходимости перегружать ее
промежуточными контроллерами. Персональный компьютер
вполне справляется со всем необходимым объемом вычислений
и операций по управлению процессом.
7) При необходимости исследовательский комплекс
может дополняться системами фильтрации или сепарации
культуральной жидкости, автоматического инокулирования и
разбавления.
Один из возможных вариантов компоновки
исследовательской установки, отвечающей требованиям
корректности измерений косвенных параметров и задачам
расчета материального баланса, приведен на рис.1.1 – 1.5 [1].
9
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]