Расчет объема культуруальной жидкости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Расчет объема культуруальной жидкости

Цель работы: Расчет объема культуруальной жидкости в ферментаторе.

Эффективность процесса культивирования определяется скоростью роста, или продуктивностьюПродуктивность (скорость роста) равна приращению концентрации биомассы в единицу времени и характеризует производительность единицы объема ферментатора в данный момент времени. Она достигает максимума в точке перегиба кривой (рис. 1.).

Не менее важной величиной является средняя продуктивность gср за время ф:

Так как обычно , то в большинстве случаев можно принимать

Максимум средней продуктивности во времени находится между максимумом мгновенной продуктивности и , т.е. величиной X, соответствующей максимально стационарной фазе (см. рис. 1). Величина соответствующая максимальной средней продуктивности определяет теоретическую точку наивыгоднейшего окончания процесса (без учета ряда технико-экономических показателей).

Характерной особенностью развития популяции микроорганизмов является зависимость скорости роста клеток от концентраций биомассы X и лимитирующего субстрата

В биотехнологии наибольшее распространение получила величина ji удельной (относительной) скорости роста клеточной массы - величина абсолютной скорости, отнесенная к единице массы растущих микроорганизмов:

(1)

Из уравнения (1.) следует, что в случае изменение концентрации биомассы во времени описывается экспоненциальной зависимостью вида

где - концентрация клеток в начальный момент времени.

Такой вид уравнения характерен для логарифмической фазы роста при периодическом культивировании.

Зависимость удельной скорости роста микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата характеризуется уравнением Моно:

(2)

аналогичным по форме уравнению Михаэлиса-Ментена. Здесь мmax - максимальная удельная скорость роста, к которой стремится м по мере увеличения концентрации сяпо мере увеличения концентрации субстрата- константа, равная концентрации субстрата, при которой .

Максимальная удельная скорость роста специфична для каждого вида микроорганизмов и зависит от состава среды и от физиологических особенностей клеток.

В некоторых случаях главным фактором, определяющим скорость роста, могут быть продукты жизнедеятельности микроорганизмов.

Зависимость удельной скорости роста от концентрации продуктов обмена может быть описана [2] кинетическим уравнением неконкурентного торможения ферментативных реакций

(3)

где- удельная скорость роста при - константа,

равная концентрации продуктов метаболизма, при которой

Одновременное торможение относительной скорости роста микроорганизмов недостатком субстрата и избытком продуктов обмена описывает уравнение

(4)

Как следует из этой зависимости, при малой концентрации продуктов обмена удельная скорость роста микроорганизмов зависит только от концентрации субстрата, а при скорость процесса определяется накоплением продуктов обмена.

Такой подход к выводу кинетических уравнений основывается на "принципе минимума", т. е. на допущении, что протекание цепи огромного количества реакций, приводящих к превращению веществ субстрата в биомассу, зависит в основном от скорости одной реакции, протекающей наиболее медленно.

На основании этого допущения зависимость между условиями культивирования и скоростью роста описывается простым математическим уравнением, которое может быть использовано при расчете промышленных ферментаторов.

Зависимость удельной скорости размножения от концентраций лимитирующего субстрата и продуктов обмена, установленная при периодическом культивировании, будет справедлива и в условиях непрерывного культивирования, если дополнить ее членом, учитывающим проток культуральной среды через ферментатор:

(5)

где - объемный расход культуральной среды, поступающей в ферментатор и вытекающей из него, м³/с.

В установившемся состоянии в аппарате поддерживается постоянная концентрация микроорганизмов и . Тогда из уравнения (5) следует, что для поддержания в ферментаторе устойчивой популяции микроорганизмов коэффициент протока питательной среды должен быть численно равен коэффициенту удельной скорости роста, т.е.

(6)

По этому уравнению можно определить необходимый объем жидкости в ферментаторе непрерывного действия, рассчитанном на заданный проток жидкости

Расход определяется требуемой производительностью ферментатора по биомассе и ее концентрацией в культуральной жидкости:

(7)

Необходимые для расчета ферментаторов непрерывного действия величины могут быть определены экспериментально на основании данных периодического культивирования в лабораторных условиях.

Процессы непрерывного культивирования обладают саморегулирующей способностью. Представим, что проток питательной среды qж был уменьшен и При этом разность в правой части уравнения (5) становится положительной величиной, в связи с чем концентрация биомассы начинает повышаться. Повышение концентрации биомассы сопровождается уменьшением количества питательных веществ в субстрате и накоплением продуктов обмена, что влечет за собой снижение скорости роста. Разность стремится к нулю, что приводит к установлению нового подвижного равновесия, и концентрация биомассы стабилизируется на более высоком уровне по сравнению с начальным.

При разность в правой части уравнения (5) становится отрицательной величиной, и концентрация биомассы начинает снижаться (клетки быстрее вымываются, чем растут). Питательные вещества не используются, концентрация их возрастает; концентрация продуктов обмена снижается. Все это положительно влияет на удельную скорость роста - она увеличивается. Система стабилизируется на новом уровне, соответствующем более высокой концентрации питательных веществ и более низкой концентрации микроорганизмов.

И только если т.е. если скорость разбавления превысит величину максимальной удельной скорости роста, то через определенный промежуток времени все микроорганизмы будут вымыты из ферментатора. Таким образом, непрерывные процессы обладают саморегулирующей способностью до известного предела.

На практике желательно поддерживать настолько высокую скорость протока, насколько это возможно при сохранении стабильной концентрации микроорганизмов; однако при этом следует также иметь в виду необходимость максимального использования субстрата.

культуруальный ферментатор биомасса субстрат

Размещено на Allbest.ru