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
объему газа, прошедшему через поглотительный патрон. Данное
определение требует применения аналитических весов для
точного измерения прироста массы поглотительного патрона.
Перед отбором газовой фазы из биореактора следует подогреть
используемый насос до температуры биореактора. При заборе
газа нужно кратковременно выключить аэрацию и
перемешивание во избежание попадания брызг культуральной
жидкости в отбираемую пробу газа.
Расчет параметров массообмена кислорода производится
для интервалов реализации специальных экспериментов со
ступенчатым изменением концентрации кислорода во входном
газовом потоке. В отличие от динамического метода А. Хамфри,
такая методика применима при любых концентрациях биомассы
и отличается большей простотой вследствие использования
стационарных значений, но требует дополнительного входного
газового канала (подача кислорода, азота или углекислого газа
из баллона). Такой канал необходим и для определения времени
пребывания потока в газовом тракте (см. рис.1.1).
Таким образом, реализуется два близких к стационарным
условиям режима ведения процесса (номера режимов отмечены
соответствующим индексом в скобках) при различающихся
значениях парциального давления кислорода во входном
газовом потоке и при незначительном изменении концентрации
растворенного кислорода во времени в течение каждого опыта
(в каждом опыте выбираются интервалы времени, на которых
tcO≈ ):
cons
)1()1()1(
]/[
L
O
L
O
O
O
rcHePaK =−⋅ (2.18)
OO
]/[
)2()2()2(
rcHePaK =−⋅ (2.19)
OO
Первый из режимов аэрации - без дополнительных
изменений входного газового потока. Концентрация кислорода
во входном потоке при использовании воздуха равна
40
)1(
вх
O % об. Парциальное давление
2
95,20][
=
)1(
P
O
рассчитывается по формуле (2.17). Второй режим – с
дополнительной подачей индикаторного газа из баллона Б1
через ротаметр И4 и вентиль В
минут. Соотношение расходов газовых потоков v2 и v
(рис.1.1) в течение 10 – 15
2Д
4
определяемых по ротаметрам И2 и И4, позволяет рассчитать
входную концентрацию кислорода во втором случае:
)2(
вх
2
ψψ
AA
])1(/[)1(95,20][
vvvO
+−⋅−⋅⋅=
, которая
422
используется для расчета значения парциального давления
кислорода
)2(
P по той же формуле (2.17). Здесь
O
ψ
-
A
содержание паров воды в атмосферном воздухе в объемных
долях. Для обоих режимов замеряются концентрации
растворенного кислорода
)1(
c ,
O
определяются удельные скорости дыхания
)2(
c и п
O
о формуле (2.8)
)2(
)1(
r ,
r . Для
O
O
расчетов используются значения величин, усредненные на
интервалах времени 10 – 15 минут.
Разделим почленно уравнение (2.18) на (2.19):
,
L
O
L
O
O
O
)2()2(
]/[
cHePaK
−⋅
O
O
)1()1(
]/[
cHePaK
−⋅
)1(
r
O
=
(2.20)
)2(
r
O
Откуда, сократив KL a, получим константу Генри:
)1()2()2()1(
rPrP
⋅−⋅
OOOO
He
=
O
(2.21)
)1()2()2()1(
rcrc
⋅−⋅
OOOO
Вычитая почленно из уравнения (2.19) уравнение (2.18) и
подставляя выражение (2.21) получим:
41
)1()2()2()1(
rPrP
⋅−⋅
OOOO
aK
=
L
(2.22)
)1()2()2()1(
PcPc
⋅−⋅
OOOO
Размерность константы Генри зависит от размерности
величины давления, и в нашем случае выражается в [мм.рт.ст.· л
/ г О2] а размерность объемного коэффициента массопередачи
по кислороду – [час-1].
2.2 Расчет баланса жидкостных потоков
Массовые расходы жидких сред (питательная среда,
ростовая среда, титрующие агенты и др.) определяются по
следующей формуле:
d
ji
где:
ρ
j
j
d
V – объем дозы j-того дозатора, мл;
j
раствора j-того жидкого компонента питания, г/мл;
доз, поданное j-тым дозатором за период
∆⋅⋅= /
,г/час (2.23)
tnVm
ji
ρ
– плотность
j
n - число
ji
−=∆
ttt , час.
1−
ii
Если в качестве исходных данных задаются (замеряются)
уровни жидкости (U) в мернике, то предварительно
рассчитывается величина:
m
d
j
j
где:
m
V – объем мерника в мл, приходящийся на единицу
j
minmax
)(
UUVV −⋅= ,мл (2.24)
jj
высоты дозировочной емкости. В этом случае массовый расход
усредняется для каждого канала дозирования на интервале
τ
времени срабатывания (
d
Vm
j
ji
τρ
∆⋅= / , г/час (2.25)
jj
∆ ) содержимого j-го мерника:
j
42
Если шаг таблицы данных ∆t > ∆τ, то возможно
∆
срабатывание мерника несколько раз. В этом случае в таблицу
заносятся данные, рассчитанные по формуле (2.23). В
противном случае в столбец расхода компонента j (строки
таблицы от i – ∆τj/∆t до i ) заносится одно и то же значение,
рассчитанное по формуле (2.25).
Для обеспечения равномерности подач компонентов,
объемы доз выбираются на уровне примерно 0,001 - 0,0005 от
объема культуральной жидкости в аппарате путем настройки
дозаторов.
Масса культуральной жидкости (в граммах) на момент
времени
ссчитывается исходя из ее значения в предыдущий
t ра
i
момент времени, массовых расходов жидких компонентов,
разности между массовой скоростью потребления кислорода и
скоростью продуцирования углекислого газа, массы отобранных
проб культуральной жидкости за период шага таблицы данных
t
, и разности масс паров воды, содержащихся во входном и
выходном газовых потоках:
КЖ
i
вх
( )
G
i
где:
КЖ
−
i
A
i
пр
V – объем пробоотборного устройства, мл;
+=
vv
вых
G
∑
ψψ
i
1
j
вых
G
ji
⋅⋅−⋅
0000
i
плотность культуральной жидкости, г/мл;
пробоотбора за период
−+
CO
4,22/18
−=∆
ttt , мин;
пр
60/
КЖ
ρ
i
пр
+⋅⋅−∆⋅
nVtRRmMM
i
КЖ
ρ
–
i
пр
n – число операций
i
ψ
1−
ii
A
i
и
ψ
вых
G
–
i
влагосодержание входного и отработанного воздуха на выходе
конденсатора Т1, в
объемных долях.
Плотность культуральной жидкости необходимо
замерять в каждой пробе (при изменении концентрации
43
биомассы) или рассчитывать по предварительно полученным
данным как функцию концентрации биомассы (может быть
применен аппроксимационный полином второй степени).
С целью исключения погрешности, вносимой парами
воды при изменении влажности или расхода атмосферного
воздуха, подаваемого на аэрацию, необходимо периодически
замерять влажности потоков входного воздуха и отбираемого
газа на выходе конденсатора Т1. Если влажность входного и
выходного газового потока различается более, чем в 1,1 раза,
требуется подрегулировать температуру захоложенной воды,
подаваемой в конденсатор Т1 из холодильной камеры Т3. При
такой регулировке из формулы (2.25) можно исключить
последний член, учитывающий изменение влажности газового
потока. Если же регулировка температуры захоложенной воды
не выполнима (применяется обычная водопроводная вода и
специальный холодильник отсутствует), то должны учитываться
все слагаемые, входящие в формулу (2.25).
Исключить подобные вспомогательные процедуры при
определении массы культуральной жидкости можно только при
наличии прямого тензометрического измерения массы
биореактора. Применение различных конструкций уровнемеров
при изменении концентрации биомассы, аэрации и скорости
вращения мешалки, не обеспечивает требуемой точности
определения количества КЖ, поскольку показания уровнемера
являются корректными только в случае неподвижной жидкости.
При расчетах удельных метаболических скоростей (см.
2.9) необходимо знать объем культуральной жидкости,
2.8,
который рассчитывается по формуле:
КЖ
MV
L
i
i
КЖ
)1000/(
ρ
⋅= , л (2.26)
i
44
Экспериментальные значения скоростей потребления
/час
субстрата и источника азота в пересчете на аммиак, на момент
времени
S
i
t ,
определяются по формулам:
i
L
i
L
S
−
i
i
1
/)(
S
−
i
1
1
1000
∑
⋅⋅+∆⋅−⋅=
cmtcVcVR
ij
j
S
, гS/час
ρ
/
j
j
(2.27)
N
L
i
i
L
N
i
−
i
1
/)(
N
−
i
1
1
1000
∑
⋅⋅+∆⋅−⋅=
cmtcVcVR
ij
j
N
,гN
ρ
/
j
j
(2.28)
где:
S
S
i
i
,,,
cccc – к
N
i
N
азота в культуральной жидкости в моменты времени 1,
cc , – концентрации субстрата и источника азота в j-той
N
S
j
j
онцентрации субстрата и источника
11
−− i
tt , г/л;
−ii
дозируемой среде, г/л; 1000 – пересчет плотности из
размерности г/мл в г/л.
2.3 Расходные и экономические коэффициенты,
технологические параметры микробиологических процессов
Расходные коэффициенты представляют собой
отношения количеств потребляемых компонентов,
образующихся метаболитов и метаболического тепла к массам
целевых продуктов и биомассе микроорганизмов.
Экономические коэффициенты являются величинами,
обратными расходным коэффициентам, и характеризуют
степень полезного использования компонентов питания.
Энергетическая эффективность может быть оценена по
величине энергетического КПД процесса. Чем выше значения
45
экономических коэффициентов и энергетического КПД, тем
X
эффективнее использование субстрата в процессе биосинтеза.
Основной технологической характеристикой биореактора
является его продуктивность, представляющая собой съем
целевого продукта с единицы рабочего объема аппарата в
единицу времени. Общая массовая скорость производства
целевого продукта (
R ,PR ) называется производительностью
биореактора.
Мгновенные значения расходных и экономических
коэффициентов рассчитываются как отношения метаболических
скоростей:
= (2.29)
k
/
X
= (2.30)
kX
/
RRY /
Xk
RRY /
kX
где: k – символ компонента (субстрата, источника азота,
кислорода и др.).
Усредненные на произвольном интервале времени
(
ttt
−=∆ ) значения экономических коэффициентов,
j
i
рассчитываются как отношения масс компонентов:
t
ii
∫∫
t
j
⋅
dtRdtRY
(2.31)
k
X k/
t
⋅=
X
t
j
Естественно, что при обработке данных экспериментов,
интегралы, входящие в выражение (2.31), рассчитываются
приближенно, как соответствующие суммы, т.е. по методу
прямоугольников или трапеций.
Надо отметить, что технологические коэффициенты
отличаются от метаболических на величины потерь полезных
компонентов. Например, метаболический расходный
46
коэффициент субстрата в непрерывном процессе
культивирования будет равен:
cvcmY
SКЖ
ост
(2.32)
R
X
c -
S
ост
XS
/
где: v
1
1000
- расход культуральной жидкости, л/час;
КЖ
∑
⋅⋅=
ij
j
S
ρ
/
j
j
⋅−
остаточная концентрация субстрата, г/л.
А технологический расходный коэффициент будет
больше на величину потерь субстрата с выходным потоком:
техн
XS
/
1000
1
∑
cmY
⋅⋅=
ij
S
j
j
ρ
/
j
(2.33)
R
X
Величина метаболической теплопродукции может быть
определена расчетным путем по разности теплот (энтальпий)
сгорания исходных и конечных продуктов. По данным
Минкевича И.Г. и Ерошина В.К. теплоты сгорания органических
субстратов и биомассы в расчете на эквивалент электронов,
переходящих на кислород (редоксонов), одинаковы и с
точностью до 4% постоянны [4]:
H
γ
⋅±= )6,49,112( , кДж/моль (2.34)
kk
где: k – символ компонента.
Степень восстановленности органического соединения
состава
ONHC представляет собой число электронов,
dcba
приходящихся на один атом углерода, которые могут перейти к
акцептору электронов (кислороду), и рассчитывается исходя из
валентностей атомов по формуле [3]:
adcba
γ
k
−⋅−+⋅=
/)234( ⋅
(2.35)
47
Тогда метаболическая теплопродукция при отсутствии
=⋅−⋅=
образования органических экзометаболитов может быть
вычислена по формуле:
//
MRHMRHR
XXXSSSq
(2.36)
S
γγ
MRMR
⋅−⋅⋅
кДж/час),//(9,112
XXXSS
Удельная величина теплопродукции составит:
q
S
γγ
VMRMRr /)//(36,31 ⋅−⋅⋅=
, вт/л (2.37)
LXXXSS
Отвод метаболического тепла от культуральной
жидкости в лабораторном масштабе не представляет
принципиальных трудностей. Но при переходе к
промышленному масштабу это является одной из основных
проблем технической реализации интенсивных аэробных
процессов. Причина заключается в том, что необходимо отвести
большое количество тепла от жидкости, имеющей относительно
невысокую температуру. Это требует развитой поверхности
теплообмена, физически разместить которую внутри реактора не
всегда удается, в связи с чем возникает необходимость
применения дополнительных выносных теплообменников.
Поэтому определение предельной величины теплопродукции
является совершенно необходимым элементом предпроектных
исследований.
Энергетический КПД процесса биосинтеза в общем виде
равен:
η
)/(
MRHMRH ⋅⋅=
(2.38)
)//(
SSSXXX
Он показывает, какая часть энергии субстрата перешла в
энергию химических связей образовавшейся биомассы.
Остальная часть химической энергии субстрата выделилась в
виде метаболического тепла реакций окисления (в
энергетическом обмене).
48
Продуктивность биореактора по биомассе
L
X
рассчитывается по формуле:
Р
= r
X
= µ · x =
X
VR / , гАСБ/ л·час (2.39)
Еще одним важным показателем аэробных процессов
культивирования является эффективность использования
механической энергии. Разность между электрической
мощностью двигателя перемешивающего устройства при работе
мешалки в культуральной жидкости и в пустом аппарате (в
воздухе) при той же скорости вращения примерно равна
мощности на валу двигателя (с точностью до колебания
величины электрического КПД двигателя при изменении его
нагрузки). Отношение этой мощности к скорости потребления
кислорода является эффективностью использования
механической энергии:
O
RWWЭ /)(6,3 −⋅= , кДж/г О
OoW
(2.40)
2
Внимание! При выполнении замеров холостой мощности
Wo , как функции скорости вращения мешалки n
, нужно залить
м
в биореактор небольшое количество воды, превышающее
уровень сальникового устройства (торцового уплотнения,
опорного подшипника), но не доходящее до нижнего яруса
мешалки. Это необходимо для предотвращения работы сальника
«всухую» и его выхода из строя за счет возможного перегрева
при больших скоростях вращения вала мешалки. Это требование
касается случаев наличия нижнего привода мешалки или
наличия нижнего опорного подшипника.
49
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]