Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
скорость сдвига в аэрируемых биореакторах, от которой зависит вероятность
повреждения жизнеспособных клеток, особенно нитевидных бактерий или
образующих хлопья микробов. При увеличении размеров биотехнологических
установок необходимо уделять особое внимание связям между механическими и
физическими факторами, с одной стороны, и биологическими - с другой. В
противном случае задача увеличения масштаба вряд ли будет решена
корректно.
10.3.3. Перенос кислорода
Одна из основных задач, которые приходится решать химикам-технологам при
конструировании биореакторов, - это обеспечение эффективного переноса
кислорода в промышленных биореакторах, где осуществляются аэробные
микробиологические процессы. Независимо от того, в каком режиме
осуществляется аэробный микробиологический процесс - периодическом,
полунепрерывном или непрерывном, - в установку должен непрерывно
подаваться кислород для достижения достаточно высокой производительности.
Потребность аэробной культуры в кислороде зависит от концентрации
микроорганизмов в реакторе, скорости их роста и соответствующего
коэффициента выхода. В некоторых случаях могут играть роль и другие
факторы, например необходимость удаления из культуры двуокиси углерода,
особенно для процессов, в которых в качестве источника кислорода
используется воздух, который как раз и служит источником кислорода в
подавляющем большинстве аэробных микробиологических процессов. При тех
температурах, при которых обычно протекают микробиологические процессы
(10-
438
Глава 10
40 °С), и при атмосферном давлении равновесная концентрация растворенного
кислорода крайне мала по сравнению с концентрациями в растворе почти всех
основных питательных веществ, или субстратов, хотя именно концентрация
последних лимитирует рост микроорганизмов в непрерывном проточном
хемостате. Такой недостаток кислорода приводит к снижению
производительности, к ухудшению качества продукта или к образованию
побочных продуктов. При реализации большинства аэробных
микробиологических процессов расходы на снабжение-кислородом составляют
значительную часть общей стоимости, производства.
В равновесии растворимость газа в жидкости представляет собой весьма
небольшую, вполне определенную величину, зависящую от природы этих газа и
жидкости, от температуры я давления в системе. В случае газовых смесей,
например воздуха, растворимость компонентов зависит от парциального
давления каждого из них. При прочих равных условиях, чем выше
температура, тем меньше растворимость, и чем выше давление (или
парциальное давление), тем растворимость выше. Зависимость между
растворимостью газа и давлением известна-как закон Генри, согласно
которому при постоянной температуре масса газа, растворенного в данном
объеме жидкости, пропорциональна давлению газа, с которым эта жидкость
находится в равновесии. Большинство культуральных сред представляют собой
разбавленные водные растворы, и для простоты их можно считать сходными с
водой. Концентрация кислорода, растворенного в воде, находящейся в
равновесии с воздухом,, т. е. в состоянии насыщения, при постоянной
температуре и постоянном суммарном давлении равна
(75>
где ро2 -парциальное давление кислорода в воздухе, Но2- постоянная Генри
для данной системы при соответствующей температуре. Значения этих
постоянных приводятся в физических и химических справочниках, и нужно
только правильно выбрать единицы измерения.
Для описания переноса (абсорбции) газов в жидкостях обычно используются
три гидродинамические модели: 1) модель двух пленок Льюиса - Уитмена; 2)
модель проницаемости с систематически обновляемой поверхностью (модель
Хиг-би); 3) модель проницаемости со случайно возобновляемой поверхностью
(модель Данквертса).
Для описания физической абсорбции газов системами аэробных микробных
культур обычно применяют модель Льюиса -
Химическая технология и биотехнология
439
Уитмена, поэтому только ее мы здесь и рассмотрим. Перенос кислорода из
жидкой фазы в бактериальную клетку также часто рассматривают с позиций,
аналогичных модели двух пленок.
Согласно модели Льюиса - Уитмена, на поверхности раздела фаз газ -
жидкость образуются две тонкие пленки, тесно прилегающие к этой
поверхности. Пленки являются в основном неподвижными, а в толще газовой и
жидкой фаз происходит турбулентное движение. Абсорбция газа
осуществляется в ходе стационарных процессов молекулярной диффузии в этих
двух неподвижных пленках. Считается, что на поверхности раздела фаз газ -
жидкость мгновенно устанавливается равновесие, а
Направление транспорта кислорода
Рис. 10.10. Модель двух (ламинарных) пленок, предложенная Уитменом для
процесса физической абсорбции (транспорта) кислорода из воздуха в водную
среду (обозначения см. в тексте).
скорость абсорбции определяется относительными скоростями диффузии в
пленках. Предположим, что абсорбция осуществляется из пузырьков воздуха,
диспергированных в жидкости; радиус кривизны пузырьков на несколько
