Для определения свойств пен обычно используют три метода: 1 - взбалтывание определенного количества жидкости в закрытом сосуде; 2 - продувание воздуха через изучаемую жидкость (пневмобарботажный); 3 - продувание воздуха с одновременным механическим перемешиванием жидкости. Пневмобарботажный метод - по высоте слоя пены НИ в период интенсивного пенообразования, по длительности образования пены такой высоты с момента начала аэрации п и самопроизвольного разрушения пены после прекращения аэрации Р Коэффициент вспениваемости, м üНа рис. 6. 1 приведен график изменения коэффициента вспениваемости в процессе биосинтеза антибиотика стрептомицина. üПо этой кривой можно определить интегральный показатель вспениваемости qs (м ч) в процессе культивирования
üДля количественной оценки эффективности действия химических пеногасителей предложен критерий üпри f<103 вещество считается малоэффективным, ü при f = 103 104 -среднеэффективным üпри f>104— высокоэффективным. В институте микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латв. ССР были проведены лабораторные испытания 10 устройств для пеногашения (рис. 6. 3): 1) набор гладких дисков диаметром 90 мм, заключенных в перфорированный конический неподвижный экран (рис. 6. 3, а); 2) набор из двух гладких дисков диаметром 90 мм без экрана (рис. 6. 3 б); 3) центробежная цилиндрическая камера диаметром 105 мм (рис. 6. 3 в); 4) набор перфорированных дисков разного диаметра (45— 90 мм), в котором большой диск расположен наверху (рис. 6. 3, г); 5) набор перфорированных дисков диаметром 45— 90 мм, заключенных в перфорированный неподвижный конический экран (рис. 6. 3, д); 6) гладкий диск диаметром 104 мм, охваченный неподвижным сплошным экраном (рис. 6. 3, е); 7) набор перфорированных дисков разного диаметра (45— 90 мм), большой диск расположен внизу (рис. 6. 3, ж); 8) гладкий перфорированный диск диаметром 90 мм (рис. 6. 3, з); 9) гладкий диск диаметром 104 мм с четырьмя изогнутыми лопатками (рис. 6. 3, и); 10) гладкий диск диаметром 90 мм (рис. 6. 3, к).
üПотребность культуры микроорганизмов в кислороде, а следовательно, интенсивность процесса массопередачи зависят от ряда факторов: 1) концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости; 2) наличия в среде других питательных веществ и ингибирующих рост метаболитов. Если рост культуры замедлен из-за лимитирования каким-либо субстратом или в результате ингибирования, то потребность в кислороде снижается; 3) вида используемого углерод содержащего субстрата, в частности степени его окисленности. Максимальная удельная потребность в кислороде составляет : при росте дрожжей на средах с сахарами 0, 8 г на 1 г биомассы, на средах с органическими кислотами — 2, 0, на н-парафинах — до 3 г/г; 4) вида и штамма применяемых микроорганизмов. üСуммарное уравнение синтеза биомассы Согласно уравнению, при потреблении 1 г кислорода образуется 1, 67 г биомассы. Однако при скорости роста 0, 2 ч-1 биомассы образуется около 1, 25 г/г, т. е. на 25% ниже теоретического значения. Это обусловлено потреблением кислорода в реакциях поддержания жизнедеятельности, синтеза внеклеточных продуктов метаболизма и т. п. üПроцесс абсорбции кислорода описывается уравнением Параметры KL и трудно определить раздельно. Для оценки ферментаторов используют произведение KLа, называемое объемным коэффициентом массопередачи.
üСоотношение между парциальным давлением и концентрацией растворенного кислорода определяется уравнением Генри üСкорость потребления кислорода микроорганизмами равна скорости его транспорта из газовой фазы: üДвижущая сила процесса массопередачи максимальна при С=0, то есть при полном отсутствии растворенного кислорода в культуральной жидкости. При этом скорость абсорбции кислорода üСкорость транспорта субстрата Qs можно определить по уравнению массопередачи üСкорости потребления субстрата при кинетике Моно можно записать üСвязь между скоростью потребления субстрата и его измеряемой концентрацией SL можно найти если выразить значение S из (7. 4) и подставить полученную зависимость в (7. 5). о Уравнение Моно
üЗакон внутреннего трения Ньютона ü Зависимость вязкости от концентрации биомассы имеет вид üУравнения для описания реологических свойств мицелиальных суспензий:
ВЛИЯНИЕ НЕИДЕАЛЬНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ НА МАССОПЕРЕДАЧУ Клеточные агломераты ( микроуровнь) мицелиальные микроорганизмы, способные образовывать в процессе культивирования агломераты размером 50— 1000 мкм и более Транспорт веществ происходит лишь за счет молекулярной диффузии Концентрации субстратов уменьшаются по мере удаления от поверхности вглубь агломерата, а концентрации метаболитов, наоборот, увеличиваются. Для обеспечения потребностей клеток, расположенных в центральной части агломерата, необходимо, чтобы концентрации субстратов (в первую очередь кислорода) в основной массе жидкости были намного выше истинных критических значений, характерных для данной культуры Жидкие частицы. ( микроуровнь) крупные частицы неперемешиваемой жидкости, не являются постоянными жесткими образованиями глобулы или жидкие частицы, размер которых зависит от масштаба турбулентных пульсаций, создаваемых перемешивающим устройством • неидеальность перемешивания Циркуляционные потоки в ферментаторе • циркуляционных потоков жидкости ( микроуровнь) • застойных зон Ферментационная жидкость неоднородна по объему аппарата: • на выходе из зоны мешалки она насыщена кислородом, • при движении по циркуляционному контуру содержание кислорода постепенно снижается
ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КУЛЬТУРАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО-И МАССООБМЕНА üДля классических, так называемых ньютоновских жидкостей справедлив закон внутреннего трения Ньютона üВ биотехнологических процессах ньютоновскими свойствами обладают ферментационные жидкости культур бактерий и дрожжей, клетки которых имеют форму, близкую к сферической. üВязкость КЖ зависит от концентрации биомассы и в ходе ферментации существенно изменяется. Для культуры Hansenula polymorpha зависимость вязкости от концентрации биомассы имеет вид:
ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КУЛЬТУРАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО-И МАССООБМЕНА üКультуральные жидкости культур мицелиальных грибов и актиномицетов по реологическим свойствам существенно отличаются от ньютоновских. üПредложены различные уравнения для описания реологических свойств мицелиальных суспензий: Характер изменения реологических свойств используемой культуральной жидкости необходимо знать для обоснованного выбора режима аэрации и перемешивания в процессе ферментации, расчета потребляемой энергии, оценки лимитирующей стадии процессов транспорта субстратов и метаболитов и т. д
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕДАЧИ КИСЛОРОДА (по величине параметра KL - объемный коэффициент массопредачи ) Балансовый метод Сульфитный метод Метод насыщения — десорбции. Динамический метод.
Балансовый метод – предусматривает определение : üконцентрацию кислорода в воздухе на входе в аппарат и газе на выходе üрасход воздуха, давление, температуру, концентрацию (или парциальное давление) растворенного кислорода üСкорость абсорбции кислорода определяют из уравнения материального баланса. üДля определения объемного коэффициента массопередачи необходимо дополнительно знать концентрацию CL растворенного кислорода в жидкости, а также равновесную концентрацию кислорода С*: üВеличину СL можно измерить с помощью датчика концентрации растворенного кислорода üДля определения равновесной концентрации С* для аппаратов малого объема можно принять модель идеального перемешивания по газовой фазе. üДля аппаратов большого объема принимают модель идеального вытеснения по газовой фазе р. О 2 вых/р. О 2 вх 0, 5
Сульфитный метод Кислород воздуха абсорбируется жидкостью и вступает в реакцию с сульфитом: üРассчитывают скорость абсорбции кислорода в системе — сульфитное число (Кlа) по формуле üЗначение MО 2 в данном методе рассчитывают по формуле Метод насыщения — десорбции Через модельную жидкость продувают инертный газ (азот) для удаления растворенного в ней кислорода После подаче воздуха регистрируют накопление растворенного кислорода с помощью датчика üвеличину KLa рассчитывают с помощью уравнения Динамический метод. üОснован, как метод насыщения — десорбции üкоэффициента массопередачи КLа по формуле
ТЕПЛООБМЕН В ПРОЦЕССАХ БИОСИНТЕЗА интенсивность тепловыделения прямо пропорциональна скорости потребления кислорода культурой и связана со скоростью роста соотношением Тепловой баланс ферментатора можно записать в виде уравнения На практике слагаемыми Qв, Qисп и Qnот обычно можно пренебречь, так как они значительно меньше остальных составляющих теплового потока, тогда Для определения теплового эффекта, обусловленного ростом микроорганизмов, используют методы: непрямой калориметрии теплового баланса динамический.
Динамический метод. на первом этапе опыта на втором этапе опыта Если режим течения охлаждающей жидкости близок к режиму идеального смешения (в охлаждающей рубашке без перегородок), то принимают t. H = tk и соответственно tср =T—t. K.
Наиболее распространенные виды теплообменных устройств ферментаторов изображены на рис. 7. 4.
Скачать презентацию Для определения свойств пен обычно используют три метода
ПрезентацияМАСС-ПЕРЕД.pptx