Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
В условиях рециркуляции соответствующая величина Х'о2 равна
Х'0 = ^------ (100)
со2\ (G-G')Co2l к
где Со2! -концентрация кислорода в потоке газа, поступающе-го в обе
системы, Со22 и С'о# - концентрации кислорода в потоке газа, выходящем из
систем без рециркуляции и с рециркуляцией соответственно, Qo2 и Q'о2 -
скорости утилизации кислорода в системе без рециркуляции и с
рециркуляцией соответственно, G и G' - скорости газового потока,
проходящего через биореактор и используемого повторно. Когда кислород не
является фактором, лимитирующим рост, т. е. Qo2 = Q/o2. отношение величин
удельной конверсии при рециркуляции и без нее задается уравнением
=-----9---. (101)
*о2 (О-G')
Если же кислород служит лимитирующим фактором, то из-за изменения в
движущей силе транспорта кислорода Qo2>Q'o2, и для полностью
перемешиваемой газовой фазы уравнение (101) принимает вид
*'о2 Q' G
Xq2 Q(G-G')
(102)
Как бы мы ни увеличивали удельную конверсию кислорода, при условии
постоянства режима работы при рециркуляции газовой фазы
производительность биореактора будет неизбежно уменьшаться в результате
снижения движущей силы транспорта кислорода. Ясно, что конверсию нельзя
оптимизировать независимо от производительности.
Когда в биореакторы добавляют газообразные или летучие углеродные
энергетические субстраты, конверсия рассматривается с совершенно иных
позиций. В отличие от кислорода воздуха подобные субстраты представляют
собой дорогостоящее сырье, и процессы, в которых они используются, должны
быть направлены на достижение очень высокой конверсии либо на полное их
использование в системах безотходной технологии с привлечением других
процессов. По-видимому, из газообразных углеродных энергетических
субстратов наиболее известен метан, хотя в качестве промышленных
субстратов можно использовать и другие газообразные алканы. При условии,
что метан как сырье для микробиологических процессов можно
Химическая технология и биотехнология
455
использовать непосредственно в виде природного газа и вернуть стоимость
неутилизованного метана, используя его в таких энергоемких процессах, как
сушка, в биореакторе могут быть достигнуты относительно высокие значения
удельной конверсии - 0,7-0,8. При этом необходимы реакторы с полным
вытеснением газовой фазы и высоким давлением, а также, возможно, с
повторным использованием газовой фазы. В качестве альтернативы можно
использовать несколько последовательных реакторов высокого давления с
полным перемешиванием.
Обратимся теперь к жидкой фазе и рассмотрим потенциальные возможности ее
повторного использования. Следует подчеркнуть, что все микробиологические
процессы протекают при относительно низких концентрациях микроорганизмов,
субстратов, питательных веществ и продуктов в культуральной среде. В них
расходуется большое количество воды, в которой эти микроорганизмы,
субстраты, питательные вещества и продукты диспергированы или растворены.
Концентрация микробов обычно лимитируется такими факторами, как
ингибирование субстратом, питательными веществами или продуктами, а в
аэробных процессах - скоростью транспорта кислорода. Однако в
технологических системах с рециркуляцией биомассы могут иметь место и
очень высокие концентрации микроорганизмов.
При микробиологическом получении продуктов с высокой или средней
стоимостью имеет смысл повторное использование или регенерация среды
только для процессов, в которых задействовано уже частично использованное
очень дорогостоящее сырье. В случае крупномасштабного производства
повторное использование среды очень выгодно как в плане экономии большого
количества высококачественной воды и питательных веществ, так и
уменьшения объема сточных вод.
В любой технологической схеме рециркуляции воды/среды ключевым моментом
является установление механизма взаимодействия между различными
элементарными операциями, образующими данный цикл. При повторном
использовании среды возникают следующие проблемы: 1) накопление в среде
ингибиторов из-за метаболической активности, сопровождающейся
образованием побочных продуктов, или за счет лизиса в процессе
рециркуляции; 2) накопление ингибиторов за счет метаболической
активности, лизиса или разрушения клеток в биореакторе; 3) накопление в
сырье нежелательных, неиспользуемых примесей; 4) рециркуляция
неиспользованных субстратов или питательных веществ, вызывающих нарушение
физического и химического равновесия и динамическую неустойчивость в
биореакторе.
456
Глава 10
В случае смешанных культур рециркуляция может приводить к избирательному
возвращению в биореактор микроорганизмов, составляющих эту смешанную
культуру, с неизбежным нарушением популяционного равновесия в
биореакторе.
Повторное использование микробной биомассы - это скорее способ
интенсификации микробиологических процессов, чем средство увеличения
конверсии. В отличие от немногих примеров повторного использования
газовой или жидкой фазы в промышленных микробиологических процессах
