Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Методика лабораторного культивирования аэробных микроорганизмов и определение энергетических параметров микробного роста. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 83 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Часть этих требований может быть выполнена без специальных усилий при наличии высокоточных приборов ведущих мировых производителей. Но при этом надо всегда знать принцип действия прибора для правильного выбора алгоритма расчета. Например, расходомер газа может измерять объемный расход газовой смеси или массовый расход. Формулы расчета объемной величины потока газа, приведенной к нормальным условиям, в этих случаях будут различны.

Применение достаточно дорогого приборного оснащения влечет усложнение установки, поскольку требует дополнительных средств защиты. Например, отсечных клапанов и датчиков пены в линии выходного газового тракта для защиты газоанализаторов от аварийных выбросов культуральной жидкости. При отсутствии специальных средств защиты ценных приборов, рекомендуется подключать их только на период проводимых измерений. Так, в непрерывном процессе культивирования микроорганизмов, газоанализаторы могут подключаться на 15 – 30 минут один раз в 4 часа. При периодическом отсоединении их от газового тракта, приборы должны оставаться во включенном состоянии с прокачкой осушенного воздуха «по кольцу», т.е. с выхода на вход. Иначе, после каждого включения прибора, придется проводить тарировку заново, затрачивая дефицитные тарировочные смеси.

На точность определения технологических параметров процессов микробного роста влияют применяемые способы организации потоков. Особо стоит остановиться на корректности отъема жидкой фазы из биореактора. Например, отбор культуральной жидкости с днища аппарата при малой интенсивности перемешивания и высокой флотируемости клеток не обеспечивает равенства концентрации биомассы в отбираемом потоке средней ее концентрации, имеющейся в

аппарате. Это связано с тем, что значительная часть популяции клеток находится в пенном слое. Таким образом, реализуется «внутренний рецикл по биомассе» с неконтролируемыми параметрами. Попытка переноса результатов с лабораторного уровня на промышленный, или даже пилотный, в этом случае может оказаться неудачной. Решение проблемы достаточно простое: перед каждым отъемом культуральной жидкости необходимо кратковременно (не более, чем на 30 секунд) резко повышать интенсивность перемешивания (скорость вращения мешалки) при отключенной аэрации. Культуральная жидкость станет однородной и проба будет корректной. Естественно, что при малой скорости аэрации и высокой флотируемости клеток реализовать строго непрерывный режим культивирования не удастся. Поскольку, при непрерывной подаче среды, слив культуральной жидкости будет осуществляться периодически, порциями.

В случае интенсивного перемешивания концентрация биомассы распределяется практически равномерно по реакционному объему биореактора, заполненному вспененной культуральной жидкостью. Газосодержание в этом случае может достигать 40%, т. е. значительная часть реакционного объема занята пузырьками газа. Интенсивные пульсации газожидкостной среды в биореакторе не позволяют применить уровнемеры известных конструкций для корректного отъема культуральной жидкости. С целью обеспечения возможности корректного расчета баланса следует реализовать измерение массы биореактора. Однако, это не всегда возможно.

Тогда остается выбор схемы отъема культуральной жидкости, обеспечивающий минимальную погрешность (рис.1.6). Отъем культуральной жидкости в рассматриваемом случае осуществляется по датчику уровня, состоящему из двух сообщающихся колен. В измерительном колене находится поплавок, положение которого регистрируется индуктивным

или оптическим датчиком. Изменение положения датчика позволяет менять величину стабилизируемого объема культуральной жидкости в аппарате за счет соответствующего изменения производительности откачивающего насоса.

Рис.1.6

Схема стабилизации уровня культуральной жидкости

Подача раствора компонентов минерального питания

К откачивающему насосу

На рис.1.6 цифрами обозначены: 1 – сужающее устройство, препятствующее поступлению культуральной жидкости в рабочие трубки (колена) уровнемера, 2 – гребенка усреднения давления, которое может заметно отличаться в радиальном направлении вследствие влияния мешалки.

Подача раствора компонентов минерального питания (прозрачного!) обеспечивает и визуальный контроли положения поплавка, и возможность применения оптического датчика.

2. АЛГОРИТМ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Предлагаемый алгоритм расчета применим как для анализа динамических режимов (определение мгновенных значений параметров метаболизма), так и для анализа непрерывных стационарных процессов. В случаях обработки данных периодических и отъемно-доливных процессов следует учитывать, что надежный расчет показателей метаболизма возможен только для интервалов времени, на которых внутриклеточные концентрации веществ примерно постоянны. Для интервалов потребления небольших фиксированных доз субстрата, усредненные показатели процесса не будут соответствовать величинам, замеренным в строго стационарных условиях. Это имеет место во всех случаях импульсного управления подачами доз субстрата по данным о его исчерпывании в культуральной жидкости, поскольку признаки исчерпывания субстрата (например, резкое снижение интенсивности дыхания) проявляются лишь при глубоком лимите и переходе культуры к экзогенному метаболизму. Искажение усредненных значений расчетных характеристик процесса будет пропорционально длительности переходного режима в начале и в конце интервала срабатывания фиксированной дозы субстрата. Увеличение разовой дозы субстрата, с целью снижения относительной длительности переходных процессов в циклах подачи субстрата, далеко не всегда приводит к желаемым результатам. При резком возрастании концентрации субстрата и изменении соотношения обеспеченности клеток субстратом и кислородом могут в значительных количествах образовываться недоокисленные продукты, что изменит стехиометрию процесса и окажет воздействие на процесс немедленно, если образующиеся продукты токсичны, или в течение цикла потребления дозы субстрата при их параллельном или последовательном

срабатывании. Например, в процессе культивирования этанолокисляющих дрожжей Candida lambica (штамм ВСБ-579) при дробном дозировании субстрата, указанный эффект проявляется уже при увеличении дозы менее, чем в 2 раза (рис.2.1, дискретизация замеров 30 сек.) и повышении начальной концентрации субстрата с 1,9 до 3,3 г/л. Подача увеличенной дозы субстрата действительно уменьшает относительную продолжительность переходных процессов и даже позволяет выделить диапазон времени, на котором µ ≈ const, но приводит после резкого снижения концентрации растворенного кислорода к временному торможению дыхания. Причиной проявления такого ингибирования оказался резкий рост внутриклеточной концентрации ацетальдегида. При этом происходит его частичный выброс в окружающую среду, а также образование уксусной кислоты и этилацетата.

Пары этилацетата и ацетальдегида в незначительных количествах действительно определялись в отработанном воздухе. Часть их возвращалась в биореактор с водяным конденсатом, образующимся при охлаждении отработанного воздуха в конденсаторе Т1 (рис.1.1).

Поэтому выбор способа осуществления эксперимента (периодическое, отъемно-доливное или непрерывное культивирование) должен тщательно продумываться исходя из задачи, ресурсов времени, особенностей выбранного штамма микроорганизмов, состава среды, наличия дефицитных реактивов, структурной схемы имеющейся исследовательской установки. Фактически в решении этого вопроса и проявляется все искусство экспериментатора.

Можно рекомендовать следующие интервалы дискретизации замеров (усреднения данных замеров) при реализации: отъемно-доливных процессов – 0,5 ÷ 2 мин.; периодических процессов – 10 ÷ 30 мин.; непрерывных процессов – 1 ÷ 4 часа.

кислорода, % насыщ.

Концентрация растворенного

0 5 10 15 20 25 30 35

Вре мя, мин

Рис.2.1 Динамика растворенного кислорода в процессе

культивирования этанолокисляющих дрожжей

с дробным дозированием субстрата:

1 – начальная концентрация этанола 1,846 г/л;

начальная концентрация этанола 3,538 г/л

2 –

Обработка данных экспериментов осуществляется по блокам: 1) Расчет газового баланса; 2) Расчет баланса жидкостных потоков.

Расчеты реализуются для каждого из биореакторов, если процесс проводится в батарее, например, при наращивании биомассы посевного материала или при аппаратном разделении фаз роста биомассы продуцента и биосинтеза целевого продукта.

2.1 Расчет газового баланса и показателей массообмена

кислорода

2.1.1 Учет искажений потока в выходном газовом тракте

В экспериментах по культивированию микроорганизмов параметры процессов могут изменяться циклически и с большими скоростями при реализации дробного дозирования питательных сред. При этом возникают ситуации, когда нельзя игнорировать динамические искажения потока в газовом тракте установки, включая сам тракт газового анализа.

Одним из искажений, характерным для всех вариантов организации выходного газового тракта, является временная задержка потока при его движении от биореактора до измерительных камер (датчиков) газоанализаторов. Величина этой задержки зависит от объемной скорости потока и суммарного объема газового тракта, включающего осушитель газа, коммуникации, побудитель расхода. Поскольку газ сжимаем и подвергается операции осушки (для исключения сложного процесса учета объема паров воды при расчете баланса), то теоретический расчет величины этой задержки весьма затруднен, тем более, что она не постоянна. Но ее можно легко измерить, подавая порцию «трассирующего» газа (например, СО2) и

з баллона Б1 (рис.1.1) в течение 5 – 6 секунд в газовую полость биореактора. При этом сначала необходимо установить расход трассирующего газа по ротаметру И4, сбрасывая порцию газа в атмосферу, потом одновременно закрыть вентили В1 и В3 и открыть вентиль В2. Засечь время по секундомеру. Через 5 – 6 секунд быстро вернуть вентили в исходное положение, баллон Б1 отключить. З

америть продолжительность прохождения потока по выходному газовому тракту (рис.1.2) до анализатора углекислого газа И11 по п

оявлению пика концентрации СО2. Разность времени между

появлением пика концентрации углекислого газа, фиксируемого газоанализатором, и моментом подачи порции углекислого газа в пространство биореактора, не занятое жидкой фазой, и будет искомым временем задержки потока в выходном газовом тракте – ∆τ, с

ек. Если ∆τ/60>0,5·∆t, где ∆t – выбранный шаг

дискретизации замеров в минутах (шаг построения таблицы данных замеров и результатов вычислений), то величину ∆τ необходимо учитывать. В противном случае ее можно проигнорировать.

Определение времени задержки потока в выходном газовом тракте может быть проведено непосредственно в процессе культивирования. Посмотрим, как это было осуществлено в реальном эксперименте. Подача трассирующего газа из баллона Б1 (с

м. рис.1.1)

осуществлялась в течение 5 секунд. Концентрация углекислого

газа, замеренная с

помощью газоанализатора ГИАМ-5, приведена на

рис.2.2. В соответствии с

полученными данными, продолжи-

газа, % о б .

тельность задержки ∆τ = 85 сек (по максимуму пика

Кон ц ентр аци я уг лекисло го

0 20 40 60 80 100

Время, сек

концентрации трассирующего газа). При шаге дискретизации замеров 0,5 мин = 30 сек,

Рис.2.2 Динамика потока в выходном

газовом тракте

получаем k ≈ 3.

Учет ∆τ при обработке экспериментальных данных

∆

производится следующим образом: замеренные в момент времени t

2]i

значения концентраций кислорода и углекислого газа

и [CO

используются для дальнейших расчетов

2]i

показателей процесса в строке сводной таблицы i - k, где k = ∆τ/(60·∆t) с округлением полученной величины до ближайшего

целого. Из значения объемного расхода газа на выходе

вых

рассчитывается объем выходного газового тракта:

вых

⋅=

, л. Значение

вых

таблицу. Выполнив один раз расчет

вых

V заносится в компьютер или в

вых

V , в дальнейшем можно

определять время задержки потока в секундах расчетным путем:

вых

vV⋅=∆ 60

и использовать его для коррекции значения

k. Но, если газосодержание культуральной жидкости или расход воздуха, подаваемого на аэрацию, существенно изменятся, то

необходимо заново определять

вых

V экспериментальным

способом непосредственно в процессе культивирования, как это описано выше. Необходимо в ходе процесса стремиться так ступенчато изменять расход воздуха, подаваемого на аэрацию, чтобы расчетные значения k получались бы близкими к целым числам. Тогда погрешность расчета косвенных показателей будет минимальна. Наибольшая погрешность расчета возникнет при k = (0,5; 1,5; 2,5 и т.д.), наименьшая будет при значениях k = (0; 1; 2; 3 и т.д.).

Динамические искажения потока, обусловленные перемешиванием газа в газовой полости биореактора и нарушением идеальности движения газа в осушителе, могут учитываться в специальных экспериментах. Но это достаточно сложная процедура, имеющая смысл при необходимости достижения прецизионного уровня измерений. Обычно достаточно предельно уменьшить объем свободной газовой

полости в биореакторе, выбирая максимально возможный

⋅+=

уровень заполнения аппарата культуральной жидкостью. Кроме того, желательно выбрать патрон осушителя минимального размера на линии отработанного газа, подаваемого на газоанализ (при этом его придется чаще менять!). Динамическая погрешность, вызванная отклонением движения потока от режима идеального вытеснения, может составлять несколько процентов при шаге дискретизации замеров 1 минута и становится незначимой при интервалах дискретизации (усреднения), превышающих 30 минут. Но динамические режимы реакции популяции клеток на пиковые воздействия наиболее информативны и потому привлекательны для исследователя.

2.1.2 Р

асчет газовых потоков

Тарировка расходомера И

, (рис.1.2), производится

перед началом эксперимента до засева культуры в биореактор. Необходимо подключить на выход газового потока (в точке сброса в атмосферу) образцовый расходомер. С помощью вентиля В1 задать расход газа, подаваемого на аэрацию (рис.1.1). Подождать пока показания манометра И

(рис.1.2), на входе

сужающего устройства И8 перестанут изменяться. Записать

показания образцового расходомера

вых

P , показывающего перепад давления на сужающем

v и манометра И

обр

устройстве. Изменяя расход газа на входе биореактора, построить график в координатах «перепад давления – расход». Полученная зависимость, если правильно сконструировано многопучковое капиллярное сужающее устройство, должна быть линейной. Эта з вида Pbav

ависимость аппроксимируется формулой

, параметры которой a и b могут быть

непосредственно определены по графику, либо получены с

<<< < Предыдущая 1 23 / 83 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]