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

☆

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

насыщенностью взаимных связей между ними, совмещенностью и взаимодействием явлений различной природы в локальном объеме пространства и в аппарате в целом.

1.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

БИОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

Создание математической модели биохимического реактора является достаточно сложной задачей. Решение этой задачи в полном объеме в настоящее время невозможно, так как в ряде случаев не удается надежно описать элементарные процессы, не говоря уже об условиях их взаимосвязи. Рассмотрим принципиальную структурную схему модели биохимического реактора, представленную на рис. 1.2.

Модель роста

единичной клетки

Кинетическая модель роста популяции микроорганизмов

Модель

микросмешения

Модель

массообмена

Рис. 1.2. Принципиальная структурная схема

Модель транспорта

и превращений

субстрата в клетке

макросмешения

Модель

гидродинамики

Модель биореактора

математической модели биореактора

теплообмена

Физиолого-

биохимическая

модель клетки

Модель

Данная схема включает целый ряд иерархических уровней (I – V).

В основе описания I уровня лежат соотношения, учитывающие биохимические явления, протекающие в клетке. Задачей исследований этого уровня является расшифровка механизмов сложных внутриклеточных процессов и представление их в обобщенной форме, описывающей развитие отдельной клетки, а затем клеточной популяции.

Выполненные в настоящее время исследования показали, что процессы, протекающие в клетках, настолько сложны, что использование этих знаний для практических целей весьма затруднительно. Поэтому при моделировании биохимического реактора используется обобщенная кинетическая модель роста популяции микроорганизмов – II уровень, формируемая на основе модели I уровня, включающей модель роста единичной клетки, модель транспорта и превращения субстрата в клетке, физиолого-биохимическая или возрастная модель клеток.

Исследование кинетических закономерностей популяции микроорганизмов осуществляют при условии идеального перемешивания среды в аппарате без ограничения роста микроорганизмов скоростью транспорта питательных веществ и условиями теплообмена.

Последующие уровни иерархии процессов в биохимическом реакторе связаны с разработкой элементов общей математической модели на макроуровне функционирования. Адекватность этих элементов и значения необходимых констант оцениваются на опытных или опытно-промышленных установках. В этих исследованиях изучают влияние на биохимический процесс условий организации потоков ввода сырья, условий аэрирования, влияние тепловых и диффузионных эффектов.

Таким образом, следующий этап разработки математической модели связан с осуществлением формализации III уровня иерархии во взаимосвязи с кинетической моделью. На этом этапе устанавливаются соотношения, определяющие условия перемешивания среды в реакторе, степень агрегации в системе. При этом учитывается, что в общем случае в системе находятся как агрегаты включений, так и отдельные включения, в связи с чем, необходимо составить количественные соотношения для обоих состояний включений. На рис. 1.2 эти соотношения представлены блоками – модель микросмешения и модель макросмешения.

Совершенно ясно, что предпочтительное использование этих моделей для расчета реального процесса будет связано в основном со степенью турбулизации ферментационной среды, с организацией структуры потоков. Качественный и количественный анализ показывает, что повышение степени турбулизации способствует разрушению агломератов и система сдвигается в область микросмешения.

Модели микро- и макросмешения ферментационной среды формируют модель IV уровня – модель гидродинамики, обобщенно учитывающую эти эффекты. Оказывая непосредственное влияние

на процессы транспорта вещества и энергии, условия микро- и макросмешения определяют также конкретный вид уравнений моделей массообмена и теплообмена, представленных соответствующими блоками на схеме.

Математическое описание моделей каждого блока может быть достаточно сложным. Так, модель массообмена включает в общем случае описание процессов транспорта субстрата из газовой или малорастворимой жидкой фазы в культуральную среду, транспорт питательных элементов к клеточной оболочке одиночной клетки или к клеточному агломерату, диффузию внутрь агломерата и т. д.

Естественно, что построение моделей для этих трех блоков связано с необходимостью учета градиентов концентраций, температуры и скоростей потоков (потенциалов ∆с, ∆t и ∆v) с одной стороны, учета условий диспергирования и коалесценции дисперсной фазы, а также условий характера движений потоков в аппарате, теплообмена и массообмена с окружающей средой. Учет потенциалов ∆с, ∆t и ∆v определяет представление движущих сил в уравнениях сохранения массы энергии и импульса. Условия диспергирования и дробления формируют распределение по размерам дисперсной фазы, что в свою очередь влияет на величины потенциалов. Характер движения ферментационной среды, условия теплообмена и массообмена с окружающей средой определяются конструктивными параметрами аппарата.

Модель биохимического реактора в целом – V уровень иерархической схемы – формируется на основе рассмотренных блоков IV уровня (моделей гидродинамики, массообмена и теплообмена) с учетом II уровня (модели кинетики роста популяции микроорганизмов). Модель V уровня отражает особенности процесса ферментации в конкретном типе реактора с определенными условиями аэрации и перемешивания среды и может использоваться для оптимизации технологических и конструктивных параметров.

В соответствии с вышеизложенным, можно выделить следующие три основные этапа исследования биотехнологических систем.

Первый этап – микрокинетические исследования. На первом этапе определяются микробиологические, биохимические и физикохимические характеристики процесса на микроуровне. Основная задача подобных исследований заключается в определении наиболее вероятного механизма протекания процесса с выбором модели кинетики и оценкой констант. На этом же этапе решается задача выбора эффективных культур микроорганизмов и задача оптимизации питательных сред.

Наиболее быстрое решение указанных задач возможно лишь с использованием вычислительной техники, с помощью которой удается быстро просматривать конкурирующие механизмы протекания процесса биосинтеза, оценить кинетические константы и выбрать оптимальный состав питательных сред. В настоящее время использование вычислительной техники на этом этапе исследований позволяет в некоторых случаях автоматизировать эксперимент, что существенно увеличивает эффективность научных исследований.

Второй этап – макрокинетические исследования. Основная задача макрокинетических исследований состоит в том, чтобы получить математическую модель процесса в условиях, приближенных к промышленным, и определить оптимальные характеристики проведения процесса для данного конкретного аппарата. Выходом из решения этой задачи должны быть рекомендации по проектированию и конструированию аппаратуры. При этом знания кинетики процессов позволяют классифицировать аппаратуру и определить оптимальные условия проведения процесса с использованием лишь формальных проработок, не проводя дополнительных экспериментальных исследований. На этом этапе экспериментальной проверке подлежат только конечные, полученные в результате решения, оптимальные варианты.

Третий этап – разработка микробиологических технологических систем. Основными задачами, решаемыми на этом этапе, являются

задачи выбора структуры технологических связей между элементами системы (технологическими аппаратами) и задачи реализации планов функционирования систем в обстановке возникновения ситуаций, не предусмотренных при проектировании. Таким образом, решение этой задачи связано непосредственно с созданием автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).

Синтез технологической схемы практически невозможен без использования вычислительной техники, без применения специальных методов синтеза, позволяющих упростить задачу, без просмотра большого числа возможных вариантов синтеза, учитывающих вопросы утилизации промежуточных, побочных продуктов и вопросы очистки сточных вод и газовых выбросов. Реализация всех трех этапов исследования БТС органически увязывает научные исследования с инженерными решениями в виде готовых проектов на создание аппаратуры и целых производств. Поэтому ускоренное внедрение научных разработок в промышленность требует автоматизации всего процесса создания промышленного предприятия.

Таким образом, каждый из этапов исследования должен решать не только некоторую конкретную задачу, но и давать классифицированный материал для системы автоматизированного проектирования. Создание последней должно быть также увязано с решением вопросов стандартизации технологического оборудования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Дайте понятие биотехнологической системы.

2. Перечислите основные элементы биотехнологической системы.

3. Назовите основные принципы системного анализа в прило-

жении к биотехнологическим системам.

4. Охарактеризуйте типовую технологическую схему получения

микробной биомассы.

5. Охарактеризуйте основные стадии разработки математиче-

ской модели биореактора.

6. Для чего необходимо создавать математическую модель био-

реактора?

7. Назовите основные факторы и процессы, которые должны

быть учтены в модели биореактора.

8. Назовите и охарактеризуйте три основных этапа исследования

биотехнологических систем, необходимых для создания промышленного производства.

9. Перечислите основные задачи, решаемые на этапе разработка

микробиологических технологических систем.

10. С каким этапом разработки микробиологических техноло-

гических систем связано создание автоматизированной системы управления технологическим процессом для производства?

2. МОДЕЛИ КИНЕТИКИ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ

В соответствии со структурной схемой математической модели биохимического реактора (см. рис. 1.2) основу первого уровня составляют кинетические модели роста популяции микроорганизмов. Рассмотрим в этой связи основные факторы, определяющие кинетику роста микроорганизмов.

Кинетика процессов ферментации изучает закономерности изменения скорости роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма в зависимости от текущих концентраций субстратов, биомассы, продуктов метаболизма, температуры и рН.

2.1. РОСТ И РАЗВИТИЕ МИКРОБНОЙ ПОПУЛЯЦИИ

Решающую роль при осуществлении процессов микробиологического синтеза в биохимических реакторах играет популяция микроорганизмов. Характерной особенностью микробных популяций является большая численность клеток, составляющих популяцию, и их малый размер (1–50 мкм для большинства бактериальных и дрожжевых клеток). При этом основные закономерности роста микробной популяции, как правило, не зависят от вариаций внутриклеточных процессов в каждой из клеток и характеризуются обобщенными показателями.

Рост и развитие микробных клеток в процессе их культивирования происходит под воздействием большого числа факторов, определяемых условиями окружающей среды. Главными из этих факторов являются: состав и концентрация компонентов питательных сред, в том числе вид и концентрация углеродсодержащих субстратов, концентрация растворенного в среде кислорода, а также физикохимические факторы (рН, температура, давление и др.).

Углеродсодержащие субстраты. В качестве источников угле- рода для роста микроорганизмов могут использоваться различные углеродсодержащие соединения. К наиболее благоприятным источникам углерода относят углеводы. В Советском Союзе успешно работали производства получения кормовой микробной биомассы на основе использования парафиновых углеводородов (белковый продукт – паприн), природного газа (гаприн).

С середины 40-х годов ХХ в. несколько десятков биохимических

(гидролизных) заводов выпускали кормовые дрожжи и биоэтанол.

В качестве субстратов в этом случае использовались гидролизаты растительного сырья – отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Исследованиями по изучению кинетики потребления н-алканов с разной молекулярной массой установлено, что скорость потребления их уменьшается с увеличением молекулярной массы. Изучение влияния индивидуального состава н-алканов углеводородного субстрата на процесс выращивания дрожжей показало, что с изменением длины углеродной цепи н-алканов изменяется как максимальная скорость роста микроорганизмов, так и удельный расход субстрата на единицу биомассы.

Однако в настоящее время нет единого мнения о механизме поступления и потребления малорастворимого углеводородного субстрата клетками. Одни авторы считают, что потребление углеводородов осуществляется при прямом контакте микробных клеток с каплями субстрата, а другие полагают возможным диффузионное потребление растворенных углеводородов. В ряде работ подчеркивается, что основная роль в питании клеток принадлежит субмикронным каплям, что в определенной мере противоречит условиям гидродинамического диспергирования капель в аппарате до этих размеров.

Указанное выше различие в объяснении механизма транспорта углеводородов находит свое отражение и в разных подходах к моделированию этих процессов. Так, если в работе предлагается модель роста, учитывающая механизм взаимодействия капли с клеткой за счет непосредственного контакта, то в работе рассматривается модель, предлагающая наличие в аппарате зоны микро смешения, в которой субстрат находится в виде гомогенной среды.

Наличие в ферментационной среде малорастворимой в воде жидкой фазы – углеводородов отражается на условиях роста микробных популяций. В этих условиях наличие клеточных агломератов и глобул – скоплений капель парафина и дрожжевых клеток отрицательно сказывается на ходе процесса ферментации. При этом в некоторых гидродинамических условиях ферментационную среду можно рассматривать как полностью сегрегированную систему.

В последнее время большое внимание уделено таким источникам углеродного питания клеток, как этанол, метанол и метан. Полная растворимость этанола и метанола в воде практически обеспечивает осуществление процесса роста микроорганизмов без ограничения по транспорту углерода к клеткам. При ферментации на этих субстратах в качестве микроорганизмов используют дрожжи и бактерии.

К преимуществу использования бактериальных культур относятся большая скорость их роста (до 0,5 ч–1) и высокое содержание белка в биомассе (до 83–85 %). Однако ряд трудностей, связанных с дальнейшей обработкой бактериальной суспензии, осложняют применение бактерий.

Специфика культивирования микроорганизмов на природном газе, содержащем метан, состоит в том, что основные питательные вещества (метании и кислород) поступают в процесс в газообразном состоянии, в связи, с чем транспорт малорастворимых газов в жидкую фазу является основным фактором, ограничивающим рост клеток в процессе. При выращивании метанокисляющих бактерий важно выбрать оптимальную по составу газовую питательную среду, содержащую и углерод и кислород. На сегодня уже исследован ряд газовых сред, однако вопрос выбора оптимального состава среды остается актуальным.

В то же время состав газовой питательной среды оказывает существенное влияние на продуктивность процесса, скорость роста и концентрацию микроорганизмов, а также на расходные коэффициенты по кислороду и метану.

Кислород. Кислород участвует в процессе дыхания аэробных микроорганизмов в качестве акцептора электронов в дыхательной цепи клетки. Его также можно рассматривать как компонент субстрата, входящего в состав клеточной массы. В ряде случаев кислород выступает в роли ингибитора роста микроорганизмов. Влияние кислорода отражается как на скорости роста микроорганизмов, так и на составе клеток. Ограничение роста клеток при низких концентрациях кислорода характерно для многих дрожжевых и бактериальных культур.

Установлен ряд соотношений между парциальным давлением кислорода и биохимическими и морфолого-физиологическими свойствами культуры. В частности показано, что требования по насыщению среды кислородом различны для процесса, обеспечивающего максимальный прирост биомассы, и для процесса, обусловливающего максимальный синтез компонента биомассы. Так, например, для биосинтеза лизина требуется низкое насыщение среды кислородом, а накопление биомассы происходит быстрее при высоких значениях парциального давления кислорода.

При использовании в качестве субстрата метанола ограничение роста культуры начинается при парциальном давлении кислорода

399,9 Па (3 мм рт. ст.), при меньшем парциальном давлении 133,3 Па



(1 мм рт. ст.) культура ослабевает. При снижении парциального давления кислорода требуется больший расход аденозинатрифосфата (АТФ) в клетке, что связано с дополнительной затратой энергии. В то же время, при высоком парциальном давлении кислорода также требуются дополнительные затраты энергии, что свидетельствует о наличии диапазона концентраций кислорода, в котором характер метаболизма клеток не меняется.

У целого ряда бактерий, дрожжей и грибов имеется широкий диапазон концентраций кислорода, когда последний не влияет на метаболизм клетки, а изменение в ее состоянии наступает при снижении парциального давления кислорода ниже критического уровня, составляющего примерно 133,3 Па (1 мм рт. ст.).

Удельный расход кислорода на единицу синтезируемой биомассы (расходный коэффициент) различен для разных микроорганизмов и используемых субстратов, а также различных условий культивирования. Удельное потребление кислорода клетками зависит от скорости их роста, и определяется потребностью эндогенного метаболизма клетки – затратами на образование клеточной структуры и энергетическим обменом. Так, для дрожжей, растущих на н-парафиновых углеводородах показано, что в зависимости от соотношения расхода кислорода на структурное образование клетки и ее энергетический обмен удельный расход кислорода на единицу синтезируемой биомассы меняется: при соотношении 0,5 : 0,5 расходный коэффициент составляет 2,28 кг кислорода/кг биомассы; при соотношении 0,6 : 0,4 – 1,6 кг кислорода/кг биомассы; при соотношении 0,4 : 0,6 – 3,23 кг кислорода/кг биомассы.

Таким образом, можно условно разделить расход кислорода на расход, связанный с потреблением его в ростовых процессах клеткой, и на расход, связанный с процессами поддержания жизнедеятельности клетки. Зависимость для расходного коэффициента по кислороду, учитывающую эти моменты, можно представить в виде

где

– расходный коэффициент по кислороду, кг О2/кг биомассы;



,aab

(2.1)

а – коэффициент, учитывающий расход кислорода на ростовые процессы, кг О2/кг биомассы; b – коэффициент, учитывающий расход кислорода на поддержание жидкости, кг/кг · ч; μ – удельная скорость роста микроорганизмов, ч–1.

Минеральная питательная среда. Из окружающей клетку ферментационной среды, микроорганизмы получают большую часть

веществ для процессов биосинтеза, а также все вещества, необходимые для их роста и энергетического обмена. К необходимым элементам минерального питания относятся азот, фосфор, магний, калий, железо, цинк, марганец.

Кроме того, питательная минеральная среда содержит еще целый ряд элементов, присутствующих в микроколичествах: молибден, медь, кобальт, кальций, никель, серу, хлор, натрий и т. д., которые, в большинстве случаев, находятся в виде примесей и специально в среду могут не добавляться. Элементы минерального питания, несмотря на относительно низкое содержание их в ферментационной среде, существенным образом влияют на физиолого-морфологические и биохимические особенности развития клеточной популяции.

Недостаток в питательной среде какого-либо элемента минерального питания

приводит к заметным изменениям в развитии клеток и в их составе. Так, ограничение в питании азотом приводит к снижению скорости размножения клеток. Например, уменьшение концентрации азота в ферментационной среде до 0,004 % приводит к резкому сокращению выхода дрожжевой биомассы.

В то же время значительный избыток азота в среде приводит

к торможению клеточного

роста. Следует также отметить, что с изменением концентрации азота в среде изменяются содержание белка, липидов, соотношение аминокислот и витаминов в биомассе.

Недостаток в минеральной питательной среде фосфора приводит к прекращению утилизации углеродсодержащего субстрата. Необходимое количество фосфора, входящего в клеточные соединения и участвующего в энергетических процессах клетки, зависит от используемого субстрата и условий культивирования.

Так, потребность дрожжей в фосфоре при их развитии на углеводах приблизительно в два раза ниже по сравнению с углеводородной ферментацией. Увеличение концентрации фосфора в культуральной среде способствует улучшению показателей процесса выращивания биомассы, однако, начиная с определенной концентрации, утилизация фосфора уменьшается и наблюдается снижение выхода биомассы, что позволяет сделать вывод о необходимости поддержания рабочей концентрации фосфора в определенном диапазоне. Существенно, также влияние и других элементов минерального питания.

Для расчета необходимых концентраций элементов минерального питания можно использовать обычные зависимости, учитывающие балансовые соотношения элементов питания в процессе и их потребление микроорганизмами, например:

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]