5.6. Решение:

1). р атм = 740 мм рт ст = 98658,28 Па (табличные данные)

р изб = 3 кгс/см² = 294300 Па

р абс (рабочее) = р атм + р изб = 98658,28 + 294300 = 0,4 мПа = 4 кгс/см²

2). Q – теплота, необходимая для осуществления процесса

Q = c_б/м ∙ ρ_б/м ∙ V ∙ (t₂-t₁) = 4000∙ 950∙ 5∙ 45 = 855 ∙ 10⁶ Дж

3). При рабочем давлении 4 кгс/см² удельная теплота конденсации r = 2141 кДж/кг

Q = G ∙ r, где G – количество водяного пара

G = Q/ r = 855 ∙ 10⁶/2141000 = 400 кг.

6.1. Хемостатные кривые при лимитировании процесса различными субстратами и кислородом.

Графические зависимости между установившимися значения­ми X и S в хемостатном процессе и скоростью разбавления D на­зывают хемостатными кривыми (рис. 9.5).

Хемостатная кривая X(D) имеет особенность: концентрация биомассы снижается до нуля при повышении скорости разбавле­ния до некоторого критического значения и при более высоких скоростях разбавления остается равной нулю. Физически это оз­начает, что культура вымывается. Выходит больше биомассы, чем может вырасти.

Определим, при каких значениях D_кр происходит вымывание культуры:

Отсюда следует, что вид хемостатной кривой зависит от S₀. При D = 0

X = Y_XSS₀

Таким образом, и начальное по­ложение хемостатной кривой, и точ­ка вымывания зависят от концентра­ции субстрата в свежей среде (под­питке) S₀. Эта величина наряду со скоростью разбавления является па­раметром, с помощью которого опе­ратор может управлять процессом. Чем больше S₀, тем выше концентра­ция биомассы в выходном потоке, причем в довольно широком диапа­зоне скоростей разбавления концентрация биомассы сохраняется почти на постоянном высоком уровне, лишь немного снижаясь с возрастанием скорости разбав­ления.

Интересную особенность имеет зависимость стационарной (остаточной) концентрации субстрата от начальной (входной) его концентрации. В уравнении (9.19) нет ничего, кроме D и кинети­ческих констант mu_m и K_S Из этого следует парадоксальный вывод: при любом изменении концентрации субстрата во входящем по­токе S₀ в стационарном состоянии при заданной скорости разбав­ления устанавливается одна и та же остаточная концентрация суб­страта S. Именно это свойство хемостата дало ему название: кон­центрация субстрата (химического соединения) стабилизируется сама по себе независимо от колебаний на входе.

Лимитирование субстратами.

Хемостатные кривые X(D) чувствительны к изменению кинети­ческих зависимостей, происходящему при лимитировании про­цесса различными субстратами.

Углерод. Отклонение от классической хемостатной кривой (снижение концентрации биомассы при малых скоростях разбав­ления) связано с повышенным расходом субстрата на поддержа­ние жизнедеятельности микроорганизмов при малых удельных скоростях роста биомассы. Если решить систему уравнении (9.13), (9.14) с учетом затрат на поддержание жизнедеятельности, полу­чится хемостатная кривая, приведенная на рис. 9.8, а.

Азот или сера. Наблюдаемые отклонения отражают превышение концентрации биомассы при малых скоростях разбавления по срав­нению с идеальным хемостатом (рис. 9.8, б). Клетки при малой ско­рости роста накапливают резервные соединения, и по массе их как бы становится больше. Такими соединениями могут быть полисаха­риды, полиоксибутират, липиды. Такой режим лимитирования в обиходе называют «жировым». Если выражать концентрацию био­массы не в г/л, а в числе клеток на литр, получается обычная форма графика.

Магний, фосфор, калий. Подвиду хемостатная кривая (рис. 9.8, в) похожа на кривую для азота, но причина подобного отклонения здесь другая: клетки, растущие медленно, требуют меньше РНК, чем быстрорастущие.

Сложная среда. На неопределенных по составу питательных сре­дах происходит при различных скоростях разбавления изменение лимитирования (переход с лимитирования одним субстратом на лимитирование другим). Хемостатная кривая (рис. 9.9, а) не имеет участка плато, а все время снижается с повышением скорости раз­бавления. При этом изменяется и биохимический состав биомассы.

Пристеночный рост биомассы. Хемостатная кривая в этом слу­чае (рис. 9.9, б) имеет аномально длинный «хвост», рост биомассы возможен даже при D > mu_m (так как растущая на стенках биомасса не вымывается).

При использовании сложного субстрата, когда лимитация осуществляется различными количествами источников хемостатная кривая не имеет ярко выраженного плато.

В аэробных условиях при больших концентрациях биомассы возможна смена лимитирующих факторов (с углерода (С) на кислород и т.п.).