71128

Влияние рециркуляции

Лекция

Производство и промышленные технологии

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. Соотношение между характеристиками работы периодического...

Русский

2014-11-02

1.12 MB

4 чел.

Студентам ЛЕКЦИЯ 3

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 D1max.

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 Dmax величина концентрации субстрата S1 становится бесконечно большой, одновременно значение Х1→0 (т.к. в ур. 22 S1S0). 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. Dmax (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:

.

1. Сравнение периодического и непрерывного культивирования

2. Примеры непрерывного культивирования микроорганизмов

3. Практические вопросы связанные с непрерывным культивированием

4. Пример расчета установки

2. Примеры непрерывного культивирования микроорганизмов

Дрожжи

На рис.1 приведены данные для двухдневного установившегося состояния ферментации пекарских дрожжей.

                                        

Рис.1. Зависимость экономического коэффициента от коэффициента разбавления при культивировании дрожжей

Здесь видно, что значение Yх/S постоянно изменяется. Даже при малых значениях коэффициента разбавления, когда концентрация субстрата S низкая (он расходуется) происходит непроизводительное эндогенное дыхание.

А возле точки вымывания (высокое D) установившееся состояние поддерживается с трудом.

После нескольких дней стационарного культивирования в этом эксперименте появились мицеллиальные формы дрожжей (мутация). Это не было заражением, так как после перенесения в колбу со слабой аэрацией снова возвращалась нормальная форма. Мицеллиальная форма активно потребляла кислород, но качество дрожжей было плохое, они имели зернистую структуру.

Бактерии

На рисунке представлены результаты непрерывного культивирования бактерий Aerobacter derogenes. Лимитирующим рост субстратом являлся аммиак NH3(S'1).

Концентрацию биомассы и субстрата измеряли после 2-3 дней пребывания культуры в стационарном состоянии при каждом D.

Эта кривая соответствует теоретической зависимости, отраженной в уравнениях для практического расчета концентрации субстрата и концентрации биомассы в отдельном ферментере при непрерывном культивировании: уравнение (20) для зависимости S1 от D и уравнение (22) для определения х1.

В этом эксперименте экономический коэффициент Ух/s был постоянным везде, за исключением условий, близких к точке вымывания.

Грибы

Исследование непрерывного культивирования актиномицетов и грибов затрудняется одной проблемой: в отличие от дрожжей и бактерий здесь переносится мицелий.

Тем не менее, было изучено непрерывное культивирование Streptomyces aureofaciens в 10-литровом ферментере в синтетической среде с лимитирующим субстратом сахарозой. При каждом значении коэффициента разбавления стационарное состояние поддерживалось в течение 2-3 дней. Полученные данные полностью аналогичны тем, которые получены для бактерий (см. выше). Но как и в случае с дрожжами (см. выше) значение Ух/s не было постоянным. Максимальная продуктивность по мицелию наблюдалась около точки вымывания.

3. Практические вопросы непрерывного культивирования

(проблемы)

Отсутствие гомогенности

Уже говорилось (выше), что при малых коэффициентах разбавления проявляется эндогенное дыхание организмов и экономический коэффициент снижается. Это явление усиливается при отсутствии гомогенности.

Таким образом, появляется проблема обеспечения равномерного распределения питательных веществ в ферментере. Это особенно важно при коэффициентах разбавления, соответствующих низкой концентрации лимитирующего субстрата, а также в плотных, вязких средах и крупногабаритном оборудовании.

Большое значение приобретает перемешивание среды механическим способом или с помощью аэрации.

Пока надежные исследования в данном направлении отсутствуют.

Измерение концентрации кислорода и контроль изменения вязкости представляют трудность. Тем более, что условия – негомогенные. Этот вопрос будет изучен ниже.

Стерильность

В течение всего процесса непрерывного культивирования требуется длительное время поддерживать стерильность.

Поэтому для данных производств в условиях проточного культивирования требуется особенно тщательно проектировать операцию стерилизации среды и воздуха.

Но даже с наиболее эффективными воздушными фильтрами через поры фильтра микробы попадают в среду.

Описана рекомендация использовать 1) смесь веществ, подавляющих рост нежелательных м.о. и 2) штаммы, устойчивые к такой смеси.

Стабильность

Различают два типа стабильности:

–  стабильность микробного штамма,

–  стабильность механических операций.

Не рекомендуется работать при скоростях разбавления, близких к критическим, так как процесс становится неустойчивым. В этих условиях в работе дозирующих устройств наблюдаются отклонения, а концентрации клеток x и субстрата s очень чувствительны к изменению условий. Особенно в лабораторных ферментерах.

Возможны мутации. Мутанты доминируют. В полу непрерывном способе первый ферментер батареи периодически засевается, так можно изучать мутации.

Пример расчета установки

Данные периодического культивирования Lactobacillus delbrueckii на среде, содержащей 5% глюкозы, 3% дрожжевого экстракта и минеральные соли. Микроорганизмы в дальнейшем должны непрерывно культивироваться в батарее из двух ферментеров с рабочим объемом по 100 л у каждого. Желательно иметь концентрацию клеток на выходе из второго ферментера N2=8 ед. оптич. плотн./мл. Необходимо определить величину потока F и значения N1 и N2 в каждом ферментере.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23376. Определение отношения молярных теплоёмкостей газа при постоянном давлении и объёме по методу Клемана и Дезорма 687.5 KB
  Целью настоящей работы является определение отношения молярных теплоёмкостей воздуха при постоянном давлении и объёме по методу Клемана и Дезорма. Тогда 5 Так для воздуха имеем: . Первая 1 широкая для лучшего адиабатического расширения воздуха находящегося в сосуде соединена с сосудом и запирается краном ; вторая 2 соединена с насосом и снабжена краном ; третья 3 соединена с Uобразным жидкостным водяным манометром 4....
23377. Определение момента инерции методом крутильных колебаний 633.5 KB
  Орлова Определение момента инерции методом крутильных колебаний Методические указания к выполнению лабораторной работы № 8 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Это уравнение математически тождественно дифференциальному уравнению свободных незатухающих колебаний: 2 где смещение колеблющегося тела относительно положения равновесия; циклическая частота колебаний причём ...
23378. Определение скорости звука в воздухе 333 KB
  При распространении волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия. Упругие волны бывают продольными и поперечными. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы среды колеблются в направлениях перпендикулярных направлению распространения волны.
23379. Определение скорости полёта пули с помощью баллистического крутильного маятника 1.24 MB
  Мясников Определение скорости полёта пули с помощью баллистического крутильного маятника Методические указания к выполнению лабораторной работы № 10 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Цель работы: ознакомиться с принципом действия баллистического крутильного маятника и с его помощью определить скорость полета пули. При определении скорости полета пули в данной работе используется закон сохранения момента импульса : если момент внешних сил относительно оси вращения равен нулю то где момент инерции системы маятник...
23380. Определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника 2.35 MB
  Орлова Определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника Методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Цель работы: экспериментальное изучение основных закономерностей возникающих при трении качения и определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника. Сплошь и рядом силы трения являются вредными. Таковы например силы трения возникающие между осью и втулкой а также между другими деталями машины.
23381. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости касторового масла по методу Стокса 381 KB
  Нехаенко Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса Методические указания к выполнению лабораторной работы № 13 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Внутреннее трение вязкость это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения направленные по касательной к поверхности слоев. и зависит от того насколько быстро меняется скорость...
23382. Определение ускорения свободного падения при помощи физического маятника 664 KB
  Китаева Определение ускорения свободного падения при помощи физического маятника Методические указания к выполнению лабораторной работы № 14 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Цель работы: определение ускорения свободного падения при помощи физического маятника. Запишем основное уравнение динамики вращательного движения относительно неподвижной оси : 6 где момент инерции физического маятника...
23383. Определение коэффициента динамической вязкости воздуха 535 KB
  Нехаенко Определение коэффициента динамической вязкости воздуха Методические указания к выполнению лабораторной работы № 15 по курсу механики молекулярной физики и термодинамики. Цель работы заключается в определении коэффициента динамической вязкости воздуха методом истечения воздуха через капилляр. Сила внутреннего трения между двумя слоями газа подчиняется закону Ньютона: 1 где коэффициент динамической вязкости газа...
23384. Определение погрешностей при измерении периода колебаний математического маятника 1.3 MB
  Цель работы изучить характер распределения погрешностей прямых измерений и оценить их величину при определении периода колебания математического маятника. В задачу измерений кроме определения измеряемой величины входит оценка допущенных погрешностей. Систематические погрешности обусловлены ограниченной точностью измерительных приборов неточностью метода измерений неточностью изготовления объекта измерений. Оценка случайных погрешностей прямых измерений.