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

69429. Код Хаффмена 74.5 KB
  Все кодируемые сообщения источника располагаются в столбец по убывающим вероятностям. Затем два наименее вероятных сообщения расположенных в последних строках столбца объединяются в одно которому приписывается суммарная вероятность.
69430. Код с проверкой по модулю q 88 KB
  Краткие теоретические сведения Принцип построения данного кода аналогичен по построению двоичного кода с одной проверкой на четность по mod 2. k информационные элементы кодовой комбинации принимающие значения от 0 до q1 то проверочный разряд b1 определяется суммой...
69431. Рекуррентный код 92 KB
  Последние формируются путем сложения по модулю 2 двух информационных посылок отстоящих одна от другой на шаг сложения k. Пусть имеем последовательность информационных посылок: 0 1 2. Тогда последовательность проверочных посылок...
69432. Код с простым повторением 89.5 KB
  В основу построения данного кода по аналогии с двоичным положен метод повторения исходной кодовой комбинации. Отличие qичного кода от аналогичного двоичного заключается в том что повторение кодовой комбинации qичного кода может производится параллельно во времени...
69433. Код Эллайеса 191 KB
  Цель: Изучить код Эллайеса выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код Эллайеса как итеративный код содержит 2 системы проверок внутри каждой кодовой комбинации.
69434. Код Варшамова 157.5 KB
  Цель: Изучить код Варшамова выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код предложенный Варшамовым является типичным представителем систематических кодов т. Благодаря этому возможно построить все комбинации кода...
69435. Коды Рида-Маллера 277 KB
  Эти m строк составляют векторы первого порядка b. Далее идут строки векторов второго порядка которые получаются из всех произведений двух строк первого порядка затем – строки третьего порядка являющиеся всеми произведениями трех строк первого порядка и т.
69436. Код Грея 206 KB
  Отражённые ( рефлексные ) коды строятся таким образом, что соседние кодовые комбинации, в отличии от простых двоичных кодов, различаются цифрой только в одном разряде, т.е. кодовое расстояние между соседними кодовыми комбинациями такого кода равно единице.
69437. Двоично-десятичный код 114 KB
  Цель: Изучить двоично-десятичный код выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения. В двоично-десятичном коде каждая десятичная цифра представляется группой цифр состоящей из 4х двухпозиционных символов.