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 1 2 3 4 5 6 7 89 / 129 10 11 12 > Следующая >>>

утилизации субстрата в связи с возможным его проскоком с байпасным потоком или уменьшенным потреблением субстрата в застойной зоне. Возможно также образование в застойных зонах инфицирующей микрофлоры, ингибирующей процесс роста.

Не меньшее влияние на кинетику процесса микробиологического синтеза оказывают условия микроперемешивания. Отмечаемое целым рядом исследователей образование в ферментационной среде при определенных условиях перемешивания крупномасштабных скоплений – клеточных агломератов, глобул приводит к снижению общей скорости роста микроорганизмов, уменьшает степень использования субстрата. «Кажущиеся» кинетические константы, определенные в таких условиях, значительно отличаются от действительных, что приводит к созданию неадекватных процессу роста микроорганизмов кинетических моделей.

5.2. ПОДХОД К МАСШТАБИРОВАНИЮ НА ОСНОВЕ

УЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА:

АЭРАЦИЯ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Поскольку ход процесса определяется микроорганизмами, различия в ходе ферментации в аппаратах разного масштаба и конструкции следует искать в макро- и микроокружении микробных клеток. Концентрации питательных веществ, продуктов метаболизма, температура и рН вряд ли существенно зависят от масштаба. Более естественным выглядит предположение о различии в концентрациях растворенного кислорода С.

Аэробные микроорганизмы не могут развиваться в отсутствие кислорода. Однако растворимость кислорода воздуха в воде очень невелика и составляет всего 7 мг/л при 20 °С. Если жидкость (или среду) полностью насытить кислородом воздуха, а затем прекратить аэрацию, то многие промышленные культуры микроорганизмов «съедают» этот запас за 5–10 с. Поэтому требуется непрерывная подача воздуха в аппарат – аэрация.

Необходимо отметить, что растворимость кислорода зависит еще и от давления воздуха, а вернее, от парциального давления кислорода в газовой фазе. Если, например, повысить давление воздуха в 2 раза, то и концентрация растворенного кислорода при насыщении жидкости воздухом также повысится в 2 раза.

Если вместо воздуха для насыщения среды использовать чистый кислород, то концентрация растворенного кислорода возрастет почти

в 5 раз – пропорционально парциальному давлению кислорода в воздухе и газообразном кислороде: (100 %) / (21 %) = 4,8. Этот показатель – концентрацию растворенного кислорода – можно измерять с помощью специального датчика растворенного кислорода. Это очень важный прибор для процессов ферментации, хотя в обычных системах контроля и автоматизации химических производств он используется довольно редко.

Как отмечалось выше, растворимость кислорода в культуральной среде незначительна и составляет около 7 г О2 на 1 м3 (7 мг/л) при

давлении воздуха, равном 110

Па при 20 °С. Это концентрация

в равновесном состоянии, при насыщении. Многие микроорганизмы, используемые в промышленности, нуждаются для роста в наличии молекулярного кислорода для окисления в процессе аэробного дыхания субстратов до двуокиси углерода и воды. Кроме того, кислород может включаться в процессы конструктивного метаболизма клеток, обеспечивая синтез ими некоторых соединений.

В реальном процессе происходит непрерывное потребление растворенного кислорода из жидкости и одновременно его непрерывное растворение – массопередача из пузырей воздуха. Надо иметь в виду важную особенность микробиологических процессов. Микроорганизмы не способны потреблять кислород напрямую из газовых пузырей. Они потребляют лишь растворенный кислород, т. е. кислород переходит в клетку микроорганизма через две ступени: массопередача из газа в жидкость и затем потребление в процессе диффузии в клетки уже растворенного кислорода из жидкости. Поэтому при культивировании таких микроорганизмов необходимо непрерывно растворять в жидкой питательной среде кислород, что достигается ее постоянной аэрацией в ферментаторе.

Необходимость постоянного поддержания в среде концентрации О2, при которой аэробный процесс не лимитируется, определяет выбор конструкции и характеристики (главным образом, массообменные) биореактора для каждого конкретного процесса.

5.3. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО

В СРЕДЕ КИСЛОРОДА НА РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

Между удельной скоростью роста микроорганизмов и концентрацией растворенного в культуральной среде кислорода существует зависимость, которую можно выразить уравнением Моно:





(5.1)

где  – удельная скорость роста микроорганизмов при концентрации

растворенного в культуральной среде О2 (С), ч

–1

; 

– предел, к кото-

рому стремится  при увеличении концентрации растворенного в культуральной среде О2 до максимального уровня, ч–1; KC – константа, численно равная той концентрации растворенного в культу-

ральной среде О

, при которой  = 0,5

; С – текущая (рабочая) кон-

центрация О2, растворенного в культуральной среде, кг О2/м3.

Значение константы KC в уравнении (5.1) для подавляющего большинства микроорганизмов очень мало. Например, для дрожжевых культур при выращивании их на средах с углеводами

 510

–5

кг О2/м3.

На рис. 5.1 приведена построенная по уравнению (5.1) кривая, выражающая изменение величины удельной скорости роста культуры дрожжей в зависимости от концентрации растворенного в культу-

ральной среде кислорода при значении K

= 510

–5

кг О2/м3.

 /mc

Рис. 5.1. Зависимость удельной скорости роста культуры

дрожжей от концентрации растворённого в среде кислорода

Значение удельной скорости роста выражено в долях  чено значение равновесной концентрации растворенного в культуральной среде кислорода при температуре 30 °С с кислородом воздуха при атмосферном давлении СР = 6,80·10–3 кг О2/м3 и значение

; отме-

0,1СР = 0,68·10–3 кг О2/м3. В этом случае значения удельной скорости роста незначительно изменяются при концентрациях растворенного кислорода, больших 0,1Ср. Изменениям концентраций кислорода от 0,68·10–3 до 6,80·10–3 кг О2/м3 соответствуют изменения относитель-

ных значений удельных скоростей роста  /

от 0,927 до 0,992, т. е.

менее чем на 7 %.

Концентрацию растворенного в среде кислорода, меньше которой быстро снижается удельная скорость роста микроорганизмов, принято называть критической (Скр). Значение критической концентрации находят опытным путем, и это значение не является строго определенной величиной. Обычно Скр меньше 0,1СР, поэтому заведомо с запасом можно принимать Скр ~ 0,1СР. В то же время известно, что на некоторые микроорганизмы кислород, растворенный в среде в концентрациях выше определенных, оказывает ингибирующее действие. Поэтому при изучении физиологии каждого микроорганизма необходимо определить значение С

, выше которого их рост подав-

инг

ляется. Таким образом, можно сделать вывод, что при значениях концентраций растворенного в среде кислорода, больших С

(~ 0,1СР)

кр

и меньших тех, которые оказывают на изучаемый микроорганизм ингибирующее действие, отношение /

мало отличается от единицы.

При организации процесса культивирования микроорганизмов необходимо обеспечить аэрацию среды так, чтобы концентрация растворенного в среде кислорода находилась в указанных пределах: Скр < С < С

инг

Транспорт кислорода из воздуха в культуральную среду и в клетки микроорганизмов. Для поддержания необходимой

концентрации растворенного кислорода в культуральной среде с микроорганизмами необходимо обеспечить постоянное растворение строго определенного количества кислорода воздуха, подаваемого на аэрацию. Содержащийся в пузырьках воздуха кислород диффундирует к поверхности раздела фаз газ–жидкость, проходит через эту поверхность, диффундирует от поверхности раздела фаз в жидкость и к клеточной стенке микроорганизма. При этом кислород преодолевает диффузионные сопротивления, значительно отличающиеся по величине. Из теории абсорбции известно, что для трудно растворимых газов, каким является кислород, диффузионным сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь по сравнению с диффузионным сопротивлением в жидкой фазе. Пренебречь также можно диффузионным сопротивлением транспорта кислорода в жидкости к клеточной стенке. С учетом этого уравнение массопередачи для абсорбции кислорода культуральной средой можно записать в виде

dМ = КL(CР – C)dFdt, (5.2)

где М – количество кислорода, переходящего из воздушного потока в культуральную среду, кг; KL – коэффициент массопередачи при абсорбции кислорода, кг О2/м2·ч; С, СР – соответственно рабочая концентрация в культуральной среде и равновесная концентрации кислорода, кг О2/м3; F – поверхность контакта фаз, м2; t – время абсорбции, ч.

Равновесная концентрация СР определяется выражением

=  р, (5.3)

где р – парциальное давление кислорода в газовой фазе, Па;  – кон-

станта фазового равновесия, кг О2/м

Па

–1

При барботаже бывает весьма затруднительно определить поверхность фазового контакта, поэтому коэффициент массопередачи относят к 1 м3 культуральной среды. Обозначив поверхность фазового контакта в 1 м3 среды через а (м2/м3), можно рассмотреть произведе-

ние К



а, которое представляет собой коэффициент массопередачи,

отнесенной к 1 м3 культуральной среды, кг О2/м3·ч.

Уравнение массопередачи с объемным коэффициентом массопередачи можно представить в виде

dМ / dVpdt = KLа(CР – C), (5.4)

где dVp – элементарный объем культуральной среды, м3.

Уравнение (5.4) дает представление о количестве кислорода, абсорбируемого в единице объема за единицу времени. Обозначив

Q = dМ / dVpdt, (5.5)

получим

Q = KLa(CР – C). (5.6)

Величина Q, (кг О2/м3·ч), как следует из уравнения (5.6), может быть увеличена соответствующим увеличением любого из сомножителей KLa или (CР – C). Увеличения движущей силы абсорбции (CР – C) можно достигнуть повышением давления воздуха в аппарате (увеличивается значение СР,) или подачей в аппарат вместо воздуха чистого кислорода или обогащенного кислородом воздуха (также увеличивается СР). Вместе с тем, следует сказать, что повышение скорости абсорбции кислорода любым из двух указанных способов в настоящее время не получило широкого распространения.

Движущая сила процесса абсорбции, определяемая разностью равновесной и рабочей концентраций растворенного кислорода, возрастает с уменьшением рабочей концентрации. Для того чтобы

обеспечить большую движущую силу процесса абсорбции и больший поток растворенного кислорода из воздуха в культуральную жидкость, целесообразно вести процесс с наименьшей рабочей концентрацией кислорода при соблюдении условия С > Скр. Для области, ограниченной условием С > Скр, уравнение (5.4) можно преобразовать к виду

Q = KLa(CР – Cкр). (5.7)

При осуществлении транспорта кислорода в соответствии с уравнением (5.7) абсорбция кислорода культуральной средой не будет лимитировать процесс выращивания микроорганизмов.

В соответствии с уравнением (5.7) скорость абсорбции кислорода воздуха культуральной средой рационально регулировать в аппарате изменением величины коэффициента массопередачи в зависимости от потребностей микроорганизмов. Значение KLa можно повысить турбулизацией культуральной среды, что достигается введением в нее достаточной энергии при перемешивании.

Культивирование микроорганизмов может успешно осуществляться только при условии достаточно интенсивного массообмена во всех точках рабочего объема аппарата, т. е. в аппарате полного смешения по жидкой фазе, когда во всем рабочем объеме аппарата для каждого произвольно выбранного момента времени любой из параметров процесса, включая коэффициент массопередачи, принимает одно и то же значение.

5.4. АБСОРБЦИЯ КИСЛОРОДА В БИОРЕАКТОРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Для биореактора полного смешения (т. е. для случая постоянства коэффициента массопередачи по всему рабочему объему аппарата) процесс абсорбции кислорода воздуха средой в периодически действующем аппарате при культивировании микроорганизмов можно описать простой математической моделью.

Рассмотрим наиболее важный для практики случай, когда абсорбция кислорода культуральной средой не лимитирует процесс роста микроорганизмов (концентрация растворенного кислорода составляет величину не ниже Скр). Для этого случая значение удель-

ной скорости роста микроорганизмов  можно принять постоянным. Тогда концентрация биомассы микроорганизмов для любого момента

времени за период экспоненциального роста может быть найдена по уравнению

Х = Х



еt, (5.8)

где Хо – концентрация биомассы микроорганизмов в аппарате в начальный момент времени (t = 0).

Предполагается, что потребление микроорганизмами растворенного в культуральной среде кислорода постоянно для всего процесса культивирования и принимается равным общему метаболическому коэффициенту по кислороду q.

Изменение концентрации растворенного в культуральной среде кислорода за интервал времени dt происходит в результате двух процессов: абсорбции кислорода из воздуха и потребления кислорода растущими по экспоненциальной зависимости микроорганизмами. Соответствующее уравнение материального баланса может быть записано в виде

dC / dt = K

aCpн – KLaC – q Х

 t,



(5.9)

где, кроме ранее принятых обозначений, Срн – начальная равновесная концентрация растворенного в культуральной среде кислорода, кг О2/м3.

Решением уравнения (5.9) является выражение

С = (C

– qμХ

pн

 t



/ K

a)  [1 – е

–(KLat)

]. (5.10)

При решении уравнения (5.9) принимали: при t = 0 (начало процесса) C = С

= 0, а также K

a >> . Уравнение (5.10) позволяет

определить концентрацию растворенного в культуральной среде кислорода в биореакторе периодического действия при культивировании микроорганизмов для любого момента времени в период экспоненциального роста.

Второй сомножитель правой части уравнения (5.10) характеризует изменение концентрации растворенного в среде кислорода при его абсорбции, когда в аппарате не происходит культивирования микроорганизмов,

С = C

т. е. при условии Хo = 0. В этом случае получим

 [1 – е

pн

–(KLat)

]. (5.11)

Как следует из данного уравнения, при определенных значениях

a достижение равновесных концентраций теоретически наступит

по прошествии достаточно больших промежутков времени, так как при этом еxp(–K

a  t)  0. Практически примем, что равновесие

достигается в том случае, когда рабочая концентрация С отличается от равновесной на 3 %, т. е. когда значение еxp(–K

a·t) становится

менее 0,03.

На рис. 5.2 приведены зависимости изменения рабочих концентраций растворенного в среде кислорода с течением времени в аппаратах, работающих с различными коэффициентами массопередачи K

Рис. 5.2. Зависимости рабочих концентраций растворенного в среде кислорода от продолжительности аэрации для биореакторов с различными коэффициентами массо-

передачи КLа (построены по уравнению (5.11)):

значения КLа для кривых, ч–1: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200;

4 – 1000; 5 – 2000

Рабочая концентрация С выражена в долях равновесной концентрации C

. Область выше пунктирной линии представляет собой

диапазон концентраций, отличающихся от равновесных не более, чем на 3 %, т. е. это область практически равновесных концентраций.

Из рис. 5.2 следует, что аппараты обеспечивают достижение практически равновесных концентраций за период времени от 5 с до 5 мин в зависимости от величины коэффициентов массопередачи.

Кривые 1 и 2 соответствуют

абсорбции кислорода в барботажных аппаратах с различными расходами воздуха (кривая 1 – для незначительного расхода воздуха).

Кривая 3 характеризует изменение концентрации растворенного кислорода при его абсорбции в барботажном ферментаторе с дополнительным механическим перемешиванием среды.

Кривые 4 и 5 построены для абсорбции кислорода в аппаратах

с очень интенсивным перемешиванием среды. Именно

по величине коэффициента массопередачи делают вывод об эффективности массообменных процессов в биореакторах различного типа.

Основным количественным показателем газовой фазы является

2/м3

ее удельная поверхность а (м

). Этот показатель связан с величи-

ной газосодержания культуральной среды формулой

а = 6Ф/d

где Ф – газосодержание культуральной среды, %; d

(5.12)

г,

– средний диа-

метр пузырьков газа (обычно 3–5 мм).

При Ф = 20–50 % диаметр пузырьков газа составляет 3–5 мм; удельная поверхность раздела газовой и жидкой фаз – в пределах 200–1000 м гирования 2–4 кВт/м энергии 10–12 кВт/м

2/м3

. При подводе в культуральную среду энергии диспер-

величина а составляет 200–500 м2/м3, а при вводе

достигает величины приблизительно 1000 м2/м3.

Дальнейший рост удельных затрат энергии практически не увеличивает значений а.

В промышленных биореакторах эрлифтного типа осуществляется культивирование дрожжей при коэффициенте заполнения аппарата средой около 30 %. С точки зрения гидродинамики при таком типе аэрации осуществляется пенно-эмульсионный режим при газосодержании около 70 %. Пенная эмульсия обладает динамической устойчивостью (т. е

. она устойчива при процессе диспергирования). При отключении перемешивания происходит расслоение среды на жидкость и пенный слой, а затем и пена осаждается.

Максимальное, критическое содержание воздуха в пенной

эмульсии составляет величину Ф  74 %; при этом в жидкости обеспечивается практически плотная упаковка пузырьков воздуха. При увеличении газосодержания больше критического значения

происходит разрушение пенной эмульсии. Таким образом, в промышленных реакторах пена находится в состоянии, близком к критическому.

Гидродинамика процесса культивирования при пенно-эмульсионном режиме описывается моделью идеального смешения с байпасом. Это означает, что только около 10 % воздуха циркулирует в системе в виде отдельных мелких пузырьков пенной эмульсии, обеспечивающих насыщение среды

кислородом. Основное же количество воздуха (до 90 %) в виде относительно крупных пузырьков однократно проходят через реактор (байпасный поток), обеспечивая перемешивание, но не участвуя в массообмене. Сравнение уравнений (5.10) и (5.11) показывает, что при наличии микроорганизмов в культуральной жидкости не может быть достигнута равновесная концентрация С

растворенного кислорода.

рн

Рассмотрим процесс абсорбции кислорода с момента включения

аэрации (t = 0, Сн = 0 и Х = Х0). Время достижения установившегося

по абсорбции кислорода режима, при котором кислород расходуется только на потребление микроорганизмами, для рассматриваемого случая составляет от 5 с до 5 мин. В течение этого времени значе-

ние еt в уравнении (5.10) практически остается равным единице и для режима, не установившегося по абсорбции кислорода, будет справедливо уравнение

–(KLa



С = (Cpн – qμХо / K

a)  [1 – е

]. (5.13)

По уравнению (5.13) на рис. 5.3 построены кривые изменения с течением времени концентраций кислорода, растворенного в культуральной жидкости без микроорганизмов (для кривой 1 Х0 = 0) и с микроорганизмами (для кривой 2 Х0 = 1 кг сухой биомассы/м3). Расчеты приведены применительно к выращиванию Candida sp. на гидролизных средах. Интервал времени достижения установившегося по абсорбции режима незначителен по сравнению с продолжительностью всего микробиологического периодического процесса, протекающего сутками или в лучшем случае часами. Поэтому в уравнении (5.10) может быть исключен член, учитывающий режим, переходный по абсорбции кислорода.

С = (Cpн – qμХ

 t



/KLa). (5.14)

Рис. 5.3. Зависимости рабочих концентраций растворенного в культуральной жидкости кислорода от продолжительности ее аэрации биомассы;

–1

 = 0,09 ч

рн

; Х0 = 1 кг сухой биомассы/м3;

= 6,8010

–3

кг О2/м3; KLa =100 ч–1

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 129 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]