Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Студентам
Лекция 2
Процесс проектирования ведется в двух вариантах:
1. По производительности и условиям выбирают ферментер
2. Для данного ферментера рассчитывают производительность.
Проектирование – это проверочная, а не исследовательская работа.
Техноэкономические показатели непрерывного (антипод периодического)культивирования м.о.
Этот метод впервые был опробован в производстве кормовых дрожжей проточным (антипод непроточного) методом. В настоящее время непрерывному культивированию уделяется очень большое внимание.
Особенности метода в первую очередь связаны с физиологическим состоянием микроорганизмов. С этим связана и разработка специальных аппаратурно-технологических приемов и оборудования: хемостат, турбидистат, бактоген и др.
Этот метод отличается тем, что условия сохраняются постоянными, поэтому он применяется для исследовательских целей. Непрерывно действующие ферментеры соединяют в батарею.
Пример продуктов биотехнологии получаемых методом непрерывного культивирования:
1) из сопряженных с ростом – уксусная кислота, бутандион, этанол, глюконовая кислота, сероводород, молочная кислота;
2) из несопряженных с ростом – ацетон, бутанол, гликоген, субтилин, хлорамфеникол, пенициллин, стрептомицин, витамин В12.
|
Рис. 1. Изменение различных параметров во времени при ферментации Laktobacillus deldruekii |
Изменение различных параметров в непрерывном процессе культивирования. Изменение концентрации бактерий находится в прямом соответствии с рН поступающей среды который меняется синусоидально, но концентрация глюкозы при этом не изменяется.
Самыми крупными промышленными непрерывными биотехнологическими процессами являются пока только производство пива, непрерывное производство кормовых дрожжей с использованием сульфатных, щелоков бумажных заводов; непрерывное производство пекарских дрожжей из мелассы и использование активного ила для очистки бытовых и промышленных сточных вод.
Затруднения для применения метода:
• м.о. подвергаются неблагоприятным мутациям,
• технические трудности поддержания стерильности,
• отсутствие знаний о динамике поведения микроорганизмов.
Достоинства метода:
• высокая продуктивность.
Высокой частоты мутаций удается избежать применением полунепрерывного процесса. В некоторой степени такой прием помогает разрешить и проблему стерильности.
Мы рассмотрим только теорию непрерывного действия ферментера с перемешиванием. Другие типы (например, ферментер полного вытеснения) рассматриваться не будут.
Характер процесса непрерывной ферментации тесно связан с физиологией и динамикой активности микробов.
Непрерывное культивирование в установившемся (стационарном) состоянии.
Экономические коэффициенты
Контроль процесса непрерывного (проточного) культивирования осуществляется при помощи субстрата, лимитирующего рост. Изменение концентрации лимитирующего субстрата влияет на рост, потребление питательных веществ и образование продукта культивирования.
Моно предложил для описания процесса модель, в которой рассматривается влияние концентрации лимитирующего субстрата на удельную скорость роста микробов:
,
где μmax – максимальная удельная скорость роста, при которой субстрат S не лимитируют жизнедеятельность м.о.; КS – концентрация субстрата, при которой удельная скорость роста равна ½ максимальной (константа насыщения); S – концентрация лимитирующего рост субстрата.
Отсюда для скорости изменения массы клеток X в единице объема получаем выражение:
(уравнение Моно)
Этот рост не является экспоненциальным. Исходя из представлений о скорости роста м.о. вводятся три вида экономических коэффициентов Y:
I. Экономический коэффициент роста
(1)
II. Экономический коэффициент продуктообразования, отнесенный к биомассе:
(2)
III. Экономический коэффициент продуктообразования, отнесенный к лимитирующему рост субстрату:
(3)
где P – концентрация продукта.
Соотношение между экономическими коэффициентами:
(4)
Материальный баланс батареи ферментеров в общем случае (описание)
Рассмотрим батарею из ферментеров одинакового объема. Обозначим величину потока среды как F, л/ч, объем каждого ферментера V; индексом О обозначим характеристики поступающей среды: X0=О и P0=О, то есть в поступающей жидкости нет ни микробов, ни продукта.
|
Рис.2 Схема батареи из n ферментёров |
Материальный баланс для концентрации Х: в ферментере по счете «n» от начала, например, втором, n=2: с учетом, что скорость протока F постоянная. Определим общее количество клеток уменьшив на объем:
(5)
(6)
где D=F/V – скорость разбавления, ч-1.
Величина обратная скорости разбавления равна средней продолжительности пребывания среды в аппарате Θ:
Аналогичные соотношения получаются для концентрации продукта P. Для n-го ферментера получаем (см. уравнение (6)):
(7)
То же для лимитирующего субстрата:
(8)
Делается допущение, что среда, поступающая из (n-1)-го в n-й ферментер, немедленно и полностью перемешивается с содержимым n-го ферментера. Предполагается также, что значения Yx/s, Yр/х и Yр/s постоянны и не зависят от n.
Определение х, р, s
для установившегося (стационарного) сотояния
В установившемся состоянии левые части уравнений (5) и (8) равны нулю, то есть ни концентрация клеток, ни концентрация субстрата не изменяются.
Тогда из уравнения (6) следует, что концентрация биомассы в n-ом ферментере:
, где n≠1 (9)
Соответственно (аналогично) выглядит выражение для концентрации клеток в предыдущем ферментере:
(10)
Последовательное рассуждение позволяет получить связь концентрации клеток в n-ом ферментере с параметрами батареи:
(11)
Из последнего выражения можно найти концентрацию клеток Х в каждом ферментере и, наоборот, скорость процесса μ на основании знания концентрации Xn, Xn-1 и т.д.
Если установлен только один ферментер (n=1) и в начале процесса клетки в нем отсутствуют (Х0=О), тогда по уравнениям (5) и (6):
(12)
При этом, поскольку , то максимально достижимая скорость роста μ равная D в одном ферментере (или первом) всегда ниже теоретически возможной, то есть
D<μmax
Однако, это соотношение не соблюдается например, в случае, когда организована рециркуляция или перемешивание несовершенное, так как все это приводит к изменению концентрации на выходе.
Теперь запишем аналогичное уравнение (уравнению 11) стационарного процесса для продукта культивирования из уравнения (7):
(13)
Поскольку значение Р0 для отдельного ферментера или для первого ферментера в батарее равно нулю, то
(14)
В заключение определим аналогично соотношение для концентрации субстрата в стационарном состоянии:
(15)
Если ферментер один, n=1 и μ1=D, то из этого следует:
(16)
Влияние рециркуляции
Рассмотрим случай, когда при наличии только одного ферментера часть микробных клеток используется повторно (рециркуляция). В этом случае при одностадийном непрерывном культивировании:
(17)
где r – часть рециркулирующей биомассы.
В стационарном состоянии для Х1:
(18)
В этом случае, то есть при рециркуляции, возможно создание таких условий, когда D1>μmax.
Основы расчета ферментера в стационарном состоянии
(т.е. если организована циркуляция, так что X1 = const, P1 = const, S1 = const )
Если рассчитывается отдельный ферментер, он рассматривается как первый в батарее.
Из уравнения Моно получаем:
(19)
Подставим D вместо μ1, т.е. D=μ, получим:
(20)
В особом случае когда D<μ последнее уравнение (20) упрощается
(21)
Из уравнения (16)
(22)
Из полученных здесь выражений (19) и (20) видно, что концентрация лимитирующего субстрата в культуральной среде возрастает пропорционально скорости разбавления D и при D=μmax величина концентрации субстрата S1 становится бесконечно большой, одновременно значение Х1→0 (т.к. в ур. 22 S1→S0). То есть имеет место «вымывание».
Поэтому вводится понятие продуктивность, как произведение Х1D – продуктивность.
|
D=μmax |
(23) Рис.3. Расчётные зависимости концентрации биомассы и субстрата от скорости разбавления |
Частное значение D, когда произведение Х1D имеет max значение находится из условия
(24)
Получаем
(25)
Так как почти всегда KS<<S0, то max продуктивность (количество биомассы в ед. времени в ед. объема среды) достигается в условиях, близких к вымыванию, т.е. D~μmax (уравнения 14, 20, 22).
Аналогично получим выражение для концентрации продукта, соответствующей максимальной продуктивности
P1.
Для этого вначале определим
(26)
Так же получаем концентрацию клеток при максимальной продуктивности:
(27)
Все эти уравнения используются для расчета процесса непрерывной ферментации. Но эти уравнения применимы при постоянных значениях Yx/s, Yp/s и Yp/x, независимых от D или μ.
Уравнения материального баланса и экспериментальные данные позволяют определить величины Х в каждой формуле. Для этого рассуждаем: ; .
Если анализируется процесс, в котором получается не биомасса, а какой-то другой продукт, значения Р1, Р2… в каждом ферментере получаются графическим методом – по зависимости от Р по данным периодического культивирования.
Но всё это приемлемо, если характеристики периодического и непрерывного процессов – те же самые.
|
Рис.4 . Соотношение между характеристиками работы периодического культивирования и непрерывного в батарее ферментёров |
Другой подход
Для периодической ферментации:
.