Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Моделирование и масштабирование биотехнологических процессов. Учебное пособие для студентов магистратуры по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнол

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М. Ф. Решетнева

П. В. Миронов

Е. В. Алаудинова

В. В. Тарнопольская

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МАСШТАБИРОВАНИЕ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия для студентов магистратуры

по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология»

всех форм обучения

Красноярск 2017

УДК 561.284.579.61(075.8) ББК 30.16я73

М64

Рецензенты:

доктор химических наук, профессор С. Р. Л

ОСКУТОВ

(Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН);

кандидат технических наук, доцент Н. С. Р

ЕШЕТОВА

(Сибирский государственный университет науки и технологии

имени академика М. Ф. Решетнева)

Миронов, П. В.

М64 Моделирование и масштабирование биотехнологических процес-

сов : учеб. пособие для студентов магистратуры по направлению под-

готовки 19.04.01 «Биотехнология» всех форм обучения / П. В. Миронов, Е. В. Алаудинова, В. В. Тарнопольская ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2017. – 114 с.

Изложены вопросы создания математических моделей роста микроорганизмов в условиях периодического и непрерывного культивирования, также отражены основные способы масштабирования процессов микробного роста. Материал поможет приобрести навыки создания и анализа математических моделей роста микробных популяций, грибного мицелия, тканей растений, что, в свою очередь, обеспечит формирование соответствующих компетенций в области моделирования, разработки технологических процессов и проектирования биотехнологических производств у магистрантов, обучающихся по направлению подготовки

19.04.01 «Биотехнология».

УДК 561.284.579.61(075.8)

ББК 30.16я73

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..................................................................................................... 5

1. Методы исследования биотехнологических систем ............................. 8

1.1. Основные принципы системного анализа ....................................... 8

1.2. Принципы построения математической модели

биохимического реактора ............................................................... 11

Контрольные вопросы и задания .......................................................... 15

2. Модели кинетики роста микроорганизмов

в биохимических реакторах .................................................................... 16

2.1. Рост и развитие микробной популяции ......................................... 16

2.2. Модели зависимости скорости роста микроорганизмов

от концентрации субстрата ............................................................ 21

2.3. Модели зависимости скорости роста микроорганизмов

от

концентрации продукта метаболизма ...................................... 28

2.4. Многофакторные модели ................................................................ 30

2.5. Отмирание биомассы (диссимиляция) .......................................... 32

2.6. Зависимость скорости роста микроорганизмов

от температуры ................................................................................ 34

2.7. Модели зависимостей скорости роста микроорганизмов

от величины рН ............................................................................... 35

2.8. Математические модели процессов биосинтеза

продуктов метаболизма как функции удельной

скорости роста ................................................................................. 37

2.9. Субстрат-зависимые математические модели

кинетики биосинтеза продуктов метаболизма ............................. 38

2.10. Модели биосинтеза продукта, основанные

на оценке возраста культуры микроорганизмов ........................ 40

2.11. Модели кинетики деградации (инактивации)

продуктов метаболизма ................................................................ 44

2.12. Модели кинетики потребления субстрата .................................. 45

2.13. Блочный подход к моделированию процессов

ферментации .................................................................................. 50

Контрольные вопросы и задания .......................................................... 51

3. Модели кинетики роста микроорганизмов в биореакторах

периодического действия ........................................................................ 53

3.1. Замедление скорости роста – модель Ферхюльста ...................... 54

3.2. Модель роста, учитывающая потребление субстрата ................. 56

3.3. Оптимизация продолжительности процесса

периодического

культивирования ................................................. 58

Контрольные вопросы и задания .......................................................... 60

4. Моделирование кинетики роста микроорганизмов

в биореакторах непрерывного действия .............................................. 61

4.1. Условия непрерывного культивирования

микроорганизмов ............................................................................. 61

4.2. Теория хемостатного культивирования ......................................... 63

4.3. Способы определения параметров роста культуры

из экспериментальных данных хемостатного

культивирования .............................................................................. 68

4.4. Ингибирование продуктами метаболизма в условиях

хемостатного культивирования ...................................................... 69

4.5. Непрерывное культивирование с рециркуляцией

биомассы ........................................................................................... 74

4.6. Автоселекция в процессе хемостатного

культивирования .............................................................................. 76

4.7. Сравнение производительности по биомассе

периодического и непрерывного процессов ................................. 77

Контрольные вопросы и задания ........................................................... 78

5. Масштабирование биотехнологических процессов ........................... 79

5.1. Постановка задачи масштабирования ............................................ 79

5.2. Подход к масштабированию на основе учета

концентрации растворенного кислорода:

аэрация при культивировании микроорганизмов ........................ 81

5.3. Влияние концентрации растворенного в среде

кислорода на рост микроорганизмов ............................................. 82

5.4. Абсорбция кислорода в биореакторах

периодического действия при культивировании

микроорганизмов ............................................................................. 86

5.5. Абсорбция кислорода в биореакторе непрерывного

действия при культивировании микроорганизмов ...................... 91

5.6. Методы определения параметра K

a в аппаратах

различного масштаба ....................................................................... 93

5.7. Другие критерии масштабного перехода ...................................... 95

Контрольные вопросы и задания ........................................................... 99

6. Стехиометрия в процессах биотехнологии ........................................ 100

6.1. Вывод «формулы» биомассы микроорганизмов ........................ 101

6.2. Расчет выхода биомассы на углеродный субстрат ..................... 103

6.3. Расчет тепла, выделяемого в биохимическом процессе ............ 107

Контрольные вопросы и задания ................................................ 109

Послесловие .................................................................................................. 110

Библиографический список ...................................................................... 111

Приложение .................................................................................................. 113

ПРЕДИСЛОВИЕ

Согласно определению Европейской ассоциации биотехнологов

(третий съезд, Мюнхен, 1984 г.), биотехнология – это интегрирован-

ное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью технологического применения способностей микроорганизмов. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов важных для жизни и благосостояния людей веществ и соединений. В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Последняя включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые в настоящее время традиционные методы, а с другой – отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль.

Современный технический прогресс в биотехнологии и смежных отраслях связан с созданием новых высокоинтенсивных производств, использованием агрегатов большой единичной мощности, разработкой безотходных технологических процессов с замкнутыми энергетическими и сырьевыми циклами. Решение этих задач становится невозможным при использовании лишь интуиции научных работников и инженеров или качественных характеристик систем и требует достаточно точного и строгого количественного анализа. Значительную роль в решении такого рода задач играют методы математического моделирования и системного анализа.

Количественные представления элементарных процессов и их взаимосвязь, основанные на использовании фундаментальных законов физики, химии и биохимии, формируются в виде математических моделей отдельных стадий технологического процесса и системы в целом. Точность таких моделей, их адекватность реальному сложному процессу зависят от точности и правильности представлений закономерностей, описывающих элементарные процессы и их взаимосвязь.

Развитие прикладных биотехнологий, гибких автоматизированных производственных систем и устройств и других, быстро развивающихся наукоемких отраслей, привели к дальнейшему усложнению биотехнологических процессов, аппаратов и систем. Их экспериментальная отработка требует все больших затрат времени и материальных ресурсов, а в ряде случаев ее проведение в полном объеме превратилось в проблему, требующую нестандартных решений. В этих условиях существенно увеличилось значение расчетно-теоретического

анализа характеристик ферментационных аппаратов, технологий и систем.

Очевидно, что во всех проблемах биотехнологии математическое моделирование должно играть первостепенную роль. Например, без математического моделирования невозможно осуществить оптимизацию любых технологических процессов. В простейшем случае даже выбор наиболее благоприятного режима работы биореактора, при котором микробная культура достаточно хорошо развивается, требует знания закономерностей роста культуры.

В целом, математическое моделирование любого биотехнологического процесса, аппарата или системы сводится к оценке скорости протекания биохимических процессов, которая определяется скоростью биохимической деятельности (роста) микрообъектов в зависимости от одного или нескольких параметров среды, обеспечивающей протекание метаболических процессов. В качестве основных видов биохимической деятельности микрообъектов, используемых в биотехнологии, как правило, выступают следующие:

– рост клеточной биомассы, представляющей собой продукт;

– биосинтез в процессе роста и развития клеток ценных биохи-

мических продуктов, выделяющихся в среду (внеклеточные продукты) или накапливающихся в биомассе (внутриклеточные продукты);

– биотрансформация – процесс, в результате которого под воздействием биологической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества;

– потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются загрязнителями;

– выщелачивание с помощью микроорганизмов, т. е. перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах;

– использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов для создания, например, пористых материалов. Данные процессы также широко используются в пищевой промышленности.

Кроме того, при переходе от лабораторных исследований к аппаратам большего объема в производственной практике практически всегда возникает проблема масштабирования. Оказывается, что результаты лабораторных исследований процессов биосинтеза по производительности, по выходу продуктов существенно различаются для аппаратов большого объема, иногда в несколько раз.

Отсутствие научно обоснованных критериев масштабирования предопределяет многоступенчатость опытно-технологических работ, существенно замедляет внедрение полученных в полупроизводственных условиях технологических результатов и требует проведения дорогостоящих и длительных экспериментов непосредственно на крупномасштабном оборудовании. Сложность определения условий масштабного перехода, с одной стороны, и важность изучения этих условий – с другой, приводят к необходимости применения системного подхода, суть которого в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая на лабораторных, опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели биореактора. Построенная таким образом математическая модель позволяет наиболее достоверно осуществлять масштабный переход и решать задачи оптимального проектирования биореакторов.

Эффективная работа биореактора во многом определяет техникоэкономические показатели всего производства. При этом существует тесная взаимосвязь вопросов аппаратурного и технологического оформления процессов биосинтеза, в частности, рассмотрение вопросов гидродинамики и массопередачи являются определяющими при реализации процессов в крупнотоннажных ферментаторах.

В настоящее время масштабный переход от лабораторного биореактора к промышленным аппаратам – ферментаторам без промежуточных этапов иногда возможен лишь для отдельных узлов. На каждом этапе увеличения масштаба ферментации решаются конкретные задачи отработки режимов ведения процесса и его оптимизации. Для этой цели разработано большое количество упрощенных и достаточно сложных математических моделей, без которых проблему масштабирования биотехнологических процессов решить невозможно.

Задачей данного учебного пособия является способствовать становлению профессиональной компетентности магистрантов, обучающихся по направлению 19.04.01 «Биотехнология», через формирование у них знаний и умений в области моделирования биотехнологических процессов; приобретение навыков исследования и моделирования кинетики роста микроорганизмов, а также навыков масштабирования и расчета основного технологического оборудования.

Материал

пособия охватывает все разделы курса «Моделирование и масштабирование биотехнологических процессов». Начинать процесс изучения дисциплины рекомендуется с ознакомления с перечнем ключевых слов (см. приложение). Для организации процесса контроля усвоения знаний каждый раздел пособия обеспечен контрольными вопросами и заданиями.

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

При исследовании биотехнологических систем в настоящее время широко применяются методы системного анализа и математического моделирования, без которых невозможно получение исходных данных для технологического проектирования биотехнологических производств.

1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

К основным положениям системного анализа, позволяющим, решать задачи исследования биотехнологических систем, можно отнести:

– четкую формулировку цели исследования, постановку задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности решения задачи;

– разработку развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи;

– пропорционально-последовательное продвижение по всему комплексу взаимно-связанных этапов и возможных направлений;

– организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах;

– принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении составных частных задач и общей задачи в целом.

Центральным понятием системного анализа является понятие системы. Биотехнологическая система (БТС) – это совокупность взаимно связанных технологическими потоками аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность операций (подготовка сырья и минеральных солей, засевной биомассы, выращивание микроорганизмов, их выделение из жидкой фазы и т. д.) до получения товарного продукта. Продуктами биосинтеза могут быть биомасса микроорганизмов, биологически активные вещества и т. п.

Элементами БТС являются технологические аппараты, такие, например, как инокулятор – аппарат для получения засевной биомассы (инокулята); биохимический реактор (биореактор, ферментатор, культиватор) – аппараты для проведения собственно процесса ферментации; аппараты для выделения и сгущения биомассы, выпарные, сушильные установки и т. д.

Между элементами БТС имеется функциональная взаимосвязь. Элементы взаимодействуют между собой и с окружающей средой в виде материального, энергетического и информационного обмена. Для примера на рис. 1.1 показана упрощенная типовая схема получения белковой биомассы. Технологический процесс обычно включает стадию подготовки сырьевых материалов, таких как углеродсодержащий субстрат, минеральная питательная среда, а также стадию подготовки засевной биомассы.

Засевная

биомасса

Субстрат

Вода на охлаждение

Культивирование

(ферментация)

Воздух

Рис. 1.1. Типовая технологическая схема

получения биомассы микроорганизмов

Сгущение

биомассы

Биологическая

очистка

Сточные

воды

Горячий

воздух

Сушка

биомассы

Готовый

продукт

Подготовленное сырье и засевная биомасса далее поступают на стадию ферментации, технологически выполненную из нескольких параллельно или последовательно работающих биохимических реакторов, где в условиях аэрации и перемешивания происходит интенсивный рост и размножение микроорганизмов.

Затем суспензия микроорганизмов поступает на стадию сгущения. Здесь используются сепараторы, флотаторы, центрифуги, фильтры, выпарные и сушильные аппараты.

В производстве используется свежая вода, поступающая на стадии подготовки питательной среды, засевной биомассы и ферментации. В то же время, в технологической схеме часть свежей воды может быть заменена на отработанную культуральную жидкость, полученную при концентрировании суспензии микроорганизмов на стадии сгущения (оборотная вода). Неиспользованная непосредственно

в технологическом процессе культуральная жидкость подвергается биологической очистке.

Небольшая часть микроорганизмов уходит из технологических аппаратов с воздушным потоком (из ферментеров при аэрации, из сушильной установки с сушильным агентом и т. д.). Это количество биомассы также необходимо вернуть на стадию сгущения. Таким образом, на этой упрощенной схеме нетрудно проследить взаимное влияние элементов системы.

Одна из основных стадий – стадия ферментации будет работать эффективно лишь в том случае, если качественно функционируют стадии подготовки сырья и засевной биомассы. В тоже время процесс ферментации во многом определяет работу последующих стадий сгущения и сушки. Имеющиеся замкнутые циклы по жидкостным и газовым потокам создают возможность обратного влияния на процесс ферментации процессов подготовки сырья, сгущения и обработки биомассы.

Использование, например, отработанной культуральной жидкости на стадии ферментации представляется выгодным и целесообразным с точки зрения минимизации потребления свежей воды. Однако повторное потребление культуральной жидкости в известной степени ухудшает работу стадии ферментации, так как в этой воде содержатся продукты метаболизма, не утилизируемый субстрат и т. п.

Из рассмотренного примера следует, что анализ и синтез оптимальной технологической схемы, отвечающей высоким требованиям к современному производству, невозможен без рассмотрения работы системы в целом, без учета взаимодействия элементов системы. Последнее возможно только при высокой степени формализации функционирования системы с использованием количественных оценок. При этом эффективность производства будет определяться как условиями взаимодействия между элементами системы – технологическими аппаратами, так и качеством функционирования самих аппаратов.

При рассмотрении основного элемента БТС – биохимического реактора – также целесообразно использовать принцип системного подхода. Анализ работы любого технологического аппарата показывает, что качество его функционирования зависит от взаимодействия комплекса физико-химических и биохимических процессов, протекающих в нем.

Уровень сложности аппарата как системы определяется многообразием элементарных физико-химических и биохимических эффектов,

1 / 121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]