Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
активности данных микроорганизмов. Для большинства из них диапазон
температур, оптимальных для роста или образования продукта, очень узок,
нередко всего несколько градусов. При температурах ниже оптимальной
скорость роста любого микроорганизма повышается в ответ на повышение
температуры относительно медленно, а при температурах, лишь на несколько
градусов превышающих этот оптимум, происходит резкое снижение скорости
роста до нуля. Подавляющее большинство микроорганизмов,, используемых в
биотехнологических процессах, - мезофилы:. температурный оптимум для них
лежит между 15 и 40 °С. Температурный оптимум термофильных
микроорганизмов значительно превышает 40°С, а у облигатных психрофильных
микроорганизмов он лежит ниже 10 °С.
При производстве любого валового микробиологического-продукта аэробным
способом охлаждение биореактора представляет собой серьезную
технологическую проблему. Если температурный оптимум, при котором
достигается максимальный выход продукта и производительность, лежит ниже
40 °С, на охлаждение приходится основная часть производственных расходов.
Обычно в практике биотехнологических процессов промышленного масштаба
используют в качестве охлаждающей среды воду, а не какой-либо хладагент.
При определении размеров-.
448
Глава 10
охлаждающей поверхности, необходимой для поддержания температуры любого
процесса, особое значение имеет максимальная температура охлаждающей
воды, а производственные расходы на системы охлаждения определяются
средней температурой охлаждающей воды, используемой на разных этапах
процесса. Следует подчеркнуть, что при очистке валового продукта
требуется значительно меньшее охлаждение, чем при ¦осуществлении обычных
биологических процессов. Однако некоторые из недавно разработанных
физических методов разделения протекают при температурах, близких к
обычным, и представляются весьма перспективными в плане использования их
в биотехнологии.
Температура охлаждающей воды зависит от многих факторов. К ним относятся
происхождение этой воды, климатические условия и различия в
местоположении установки, а также тип используемой системы охлаждения:
это может быть проточная система или система с рециркуляцией. В будущем
для охлаждения, вероятно, все больше будут применяться замкнутые системы
(с рециркуляцией), с тем чтобы исключить тепловое и возможное химическое
загрязнение окружающей среды в результате сброса воды из проточных систем
охлаждения. В условиях умеренного климата и при использовании мезофильных
организмов в крупных, интегрированных производствах оптимальная
температура процесса будет лишь немного отличаться от температуры
охлаждающей воды.
Хотя калориметрические методы измерения количества тепла, выделяющегося
при росте и дыхании микроорганизмов, разработаны уже давно, использованию
этого процесса посвящено сравнительно немного работ. Измерения количества
выделяющегося тепла производили обычно для оценки интенсивности роста
микроорганизмов. В аэробных микробиологических лроцессах количество
тепла, выделяющегося в единицу времени, прямо пропорционально скорости
потребления кислорода, которая в свою очередь связана с ростом с помощью
соответствующего коэффициента выхода. Считается, что это эмпирическое
соотношение между скоростью потребления кислорода и .количеством
выделяющегося тепла можно применять для оценки последней величины, и
прямые ее измерения проводят только в редких случаях. Это соотношение
имеет вид
Q=.kRot. (96)
Здесь Q - количество тепла, выделяющегося при росте аэробных микробов в
единицу времени на единицу объема, Ro2 - скорость потребления кислорода
на единицу объема (равная скорости транспорта кислорода), k-константа,
равная 124, если Q выражено в ккал-м_3-ч_1, a R0 а-в моль-м_3-ч-1. Оцен-
Химическая технология и биотехнология
449
ки, получаемые с помощью этого уравнения, близки к таковым при расчете
количества тепла исходя из теплоты сжигания субстратов и микробной
биомассы соответствующего состава.
Большинство промышленных биореакторов снабжено охлаждающим кожухом и/или
внутренними охлаждающими змеевиками. В последнее время для интенсификации
процессов в биореакторах как обычной конструкции, так и новых
конфигураций стали использовать наружные охлаждающие контуры.
В некоторых реакторах новых конфигураций внутренняя охлаждающая система
настолько нарушает основные гидродинамические рабочие характеристики, что
исключает такое охлаждение. При увеличении размера реактора создание
необходимой внутренней охлаждающей поверхности становится все более
трудной задачей. Для геометрически подобных емкостей увеличение объема
пропорционально кубу линейных размеров, при этом площадь увеличивается
только пропорционально квадрату линейных размеров. Эффективность
охлаждения аэробных биореакторов зависит от следующих факторов: 1)
переноса
тепла от отдельных клеток в культуральную среду; 2) переноса тепла от
культуральной среды, содержащей диспергированные пузырьки газа и
