Экспериментальные данные тепломассообмена при культивировании микроорганизмов

04 Января в 14:49 1510 0


Для расчета параметров ферментационного оборудования необходимо знание ряда показателей, включая растворимость и степень восстановленности субстрата, теплопродукцию при его окислении, потребность культуры в кислороде и многое другое.

Экспериментальные данные тепломассообмена при культивировании микроорганизмов

Одним из значимых параметров процесса ферментации является тепловыделение, которое образуется в результате биологического окисления субстрата (термогенеза) и функционирования перемешивающих устройств биореактора.

Согласно, тепловыделение в расчете на один RO потребленного кислорода составляет 103,7 кДж/экв. RO. Удельное количество теплоты, выделяющееся при жизнедеятельности микроорганизмов изменяется от 1,1 до 8,3 кВт/м при культивировании продуцентов ферментов, а при культивировании продуцентов антибиотиков достигает 15 кВт/м . Тепловой эффект при выращивании кормовых дрожжей составляет (10-13)-10 кДж/кг.

При периодическом культивировании в ходе стадийного развития культуры наблюдается существенное изменение величины тепловыделения микроорганизмами. Так, при концентрации бактерий Ralstonia eutropha количество выделяемого тепла составило 2000-24 000 кДж/(кг-ч).

Потребление микробной культуры газового субстрата. Потребности культуры микроорганизмов в кислороде при росте на углеродосодержащем субстрате представляют в виде эмпирической зависимости
Go2 = А/Y - B,
где Go2 - количество потребляемого кислорода, кг 02/кг АСД; А - количество кислорода, необходимое на окисление 1 кг субстрата до CO2 и H2O (и NH3, если в субстрате содержится азот); B - количество кислорода, идущее на окисление 1 кг сухой биомассы до СО2, H2O и NH3; Y - экономический коэффициент.

При использовании в качестве субстрата глюкозы (A = 1,067 кг 02/кг глюкозы, B = 1,334 кг 02/кг АСД, Y = 0,5).

Максимальное значение экономического коэффициента для дрожжей по кислороду, когда в качестве источника углерода используется глюкоза, составляет 3,39 г сухой биомассы на 1 г кислорода, т.е. минимальная величина Go2 = 0,3 кг02/кг биомассы. В промышленной практике выращивания дрожжей рода Candida на гидролизатах древесины потребность в кислороде лежит в пределах от 0,6 до 0,8 кг 02/кг АСД при значениях экономического коэффициента 0,45-0,55.

Расходный коэффициент по кислороду зависит, как указывалось выше, от ряда других факторов, в том числе от физиологической активности популяции микроорганизмов. Например, экономический коэффициент культуры у бактерий Ralstonia eutropha, растущих на водороде в качестве энергетического субстрата и на полной питательной среде, составляет: по Н2 - 1,5 кг АСБ/кг; 02 - 0,34; C02 - 0,48.

При лимитировании роста бактерий каким-либо элементом субстрата этот показатель существенно снижается, соответственно, до 0,9; 0,2; 0,4. Удельная скорость дыхания дрожжевых организмов при их выращивании на растительных гидролизатах составляет q = 0,11-0,33 кг 02/(кг-ч), а удельная скорость потребления компонентов газовой смеси, лимитированной, например по азоту, культуры Ralstonia eutropha составляет на начальных этапах развития для водорода 0,036-0,04 кг/(кг-ч), кислорода - 0,17-0,18, диоксида углерода - 0,11-0,14; по мере старения культуры и перехода в стационарную фазу роста скорость потребления компонентов газа газового субстрата существенно снижается.

Скорость потребления газового субстрата культурой может быть постоянна только в условиях непрерывного выращивания, когда процесс является установившимся, и микроорганизмы находятся в определенной фазе роста.

Зависимости потребления кислорода от экономического коэффициента и скорости дыхания дрожжей от концентрации 02 представлены на рис. 7.6.

Потребность в кислороде от экономического коэффициента при выращивании дрожжей на глюкозе (а) и влияние концентрации растворенного кислорода на скорость дыхания микроорганизмов (б) (материал Н.А. Войнова)
Рис. 7.6. Потребность в кислороде от экономического коэффициента при выращивании дрожжей на глюкозе (а) и влияние концентрации растворенного кислорода на скорость дыхания микроорганизмов (б) (материал Н.А. Войнова)

При низких концентрациях кислорода в среде и его недостатке для культуры нарушаются энергетические процессы в клетке, происходит переключение путей обмена веществ, и это явление сопровождается увеличением количества кислорода, необходимого для построения единицы биомассы. Последнее происходит в том случае, если концентрация кислорода оказывается ниже определенного порогового значения. Критическая концентрация растворенного кислорода при росте дрожжей находится в диапазоне (2-4)10-4 кг/м3.

При окислении глюкозы дрожжами Candida tropicalis и Candida lipolytica при аэрации среды атмосферным воздухом заметное уменьшение интенсивности дыхания клеток начинается при снижении концентрации растворенного кислорода до 4-6 % от концентрации насыщения. Граница физиологического действия парциального давления кислорода для бактериальной культуры Ralstonia eutropha также лежит в узком диапазоне 2-5 мг/л.



Растворимость газов. Влияние компонентов питательной среды на растворимость газов различно. При концентрации сахара в растворе 2,5 % растворимость кислорода понижается на 5 %. В сложной питательной среде добавление небольшого количества подсолнечного масла, используемого в качестве пеногасителя, приводит к значительному увеличению растворимости кислорода, что обуславливается возникновением зон повышенной концентрации кислорода вокруг частиц масла.

Внесение в водную среду спиртов, кетонов, эфира может существенно повышать скорость растворения кислорода. Кроме того, растворимость газа уменьшается с увеличением вязкости среды. Основными факторами, влияющими на растворимость газа, являются его парциальное давление в газовой фазе и температура в соответствии с законом Генри:
xm=p/E,
где хм - мольная доля газового компонента в жидкости; Р - парциальное давление, мм рт. ст.; E- константа Генри, мм рт. ст.

Транспорт кислорода к поверхности клетки разделяют на несколько стадий: массопередача из газовой фазы в жидкую, перемещение растворенного кислорода в жидкой фазе (конвективная и молекулярная диффузия), массопередача кислорода из жидкой фазы к поверхности клетки. Каждая стадия характеризуется сопротивлением массопередаче.

В процессе выращивания, когда клеточные агломераты не образуются, микроорганизмы, как правило, находятся в жидкости в виде отдельных взвешенных особей. В этом случае ввиду низкой растворимости кислорода в жидкости наибольшее практическое значение имеет межфазный переход «газ - жидкость». При этом общий коэффициент массопередачи обычно определяется массоотдачей газа в жидкой фазе.

Изменение концентрации растворенного газа в среде определяется уравнением баланса скоростей потребления газа клетками и поступления его из газовой фазы:
dc/dx = вa(c* - c) - qx,
где a - удельная межфазная поверхность, м2/м3; q - удельная скорость потребления газа биомассой, кг 02/(кг-ч); x - концентрация биомассы, кг/м ; в -коэффициент массоотдачи, м/ч.
В стационарном состоянии dc/dx = 0, и тогда
Pa(c*- c) = qx.
При равенстве количества газа, поступающего из газовой фазы в жидкость и потребляемого микроорганизмами,
c = c*- qx/(Pa),
что позволяет оценить изменение концентрации растворенного кислорода по численности популяции при постоянных условиях аэрации.

Потребление газового компонента клетками увеличивает движущую силу процесса (c*- c), а следовательно, и скорость переноса кислорода в жидкость.

Способы определения коэффициента массоотдачи. Используют четыре наиболее приемлемых метода определения скорости поглощения газового субстрата (например, кислорода): динамический; сульфитный; прямое измерение и теоретический расчет, учитывающий рост биомассы.

Динамический метод осуществляется в периодической ферментации путем измерения скорости снижения концентрации газа в жидкости после прекращения аэрации и построения линейной зависимости величины концентрации от времени. Угол наклона построенной зависимости и определяет обратную величину объемного коэффициента массоотдачи - 1/вV.

Сульфитный метод заключается в том, что в присутствии 10-3 молей Со2+ или Си2+ сульфит натрия окисляет растворенный кислород. Сульфит определяется путем добавки раствора йода. Однако метод не дает представления о динамике обеспечения жидкости кислородом, а характеризует только условия аэрации.

Прямое определение скорости переноса газа дает наиболее точные результаты, но требует точных аналитических приборов.

Расчет объемных значений коэффициента массоотдачи при физической абсорбции обычно определяется по опытным данным, полученным при насыщении дистиллированной воды кислородом из воздуха по уравнению
вv = ln [(1 - c/c*)/A]/T, (7.30)
где с - концентрация растворенного кислорода в жидкости, кг/м3 ; с* - равновесная концентрация кислорода в жидкости, кг/м ; А - коэффициент, определяемый из начальных условий; т - время насыщения, с; вV - объемный коэффициент массоотдачи, с-1.

Величина коэффициента A определяется согласно (7.30) из начальных условий (с = сн).
Величина коэффициента A
где сн - начальная концентрация растворенного кислорода в жидкости, кг/м .

При приготовлении рабочей смеси жидкость обескислороживается путем пропускания через нее азота либо за счет создания в аппарате вакуума с последующей дегазацией.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы