План лекции Материальные расчеты процессов культивирования микроорганизмов
- Схема материального расчета процесса культивирования микроорганизмов.
- Материальный расчет процесса культивирования микроорганизмов на основе кинетики.
- Расчет процесса культивирования микроорганизмов с учетом массообменных эффектов.
- Принципы оптимального материального расчета и проектирования процессов в биореаторах для культивирования микроорганизмов.
В лекции представлена схема материального расчета процесса культивирования микроорганизмов. Рост и развитие мко в биореакторе происходят в результате взаимодействия разнообразных явлений биохимической, химической и физической природы. Обобщенно указанные процессы учитываются кинетическими и стехиометрическими зависимостями, отражающими скорость процессов утилизации субстрата, образования биомассы и количественные соотношения перехода компонентов субстрата в биомассу и метаболиты клеток. Однако данные процессы составляют только часть процессов, протекающих в биореакторе и относящихся к так называемому микроуровню описания его работы.
На рост клеток влияют факторы, связанные с эффективностью транспорта питательного субстрата к клеткам, условиями перемешивания, отводом и подводом тепла, газообменом в аппарате. Данные факторы относятся к макроуровню описания процессов культивирования и определяются конструктивными особенностями биореактора, характером и способом подвода внешней энергии, принципом аэрации и перемешивания среды.
В связи с этим, общую схему расчета процессов культивирования можно представить в виде многоуровневой системы. На каждом уровне системы исследуются и количественно описываются процессы одной физической природы. Количественные закономерности или математические модели каждого уровня формируют общую модель процессов культивирования.
Основой кинетического расчета процессов культивирования микроорганизмов является кинетическая модель роста и соотношения для стехиометрических коэффициентов.
Для режима хемостата характерна зависимость скорости роста микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата. Для известных кинетических характеристик возможно определение таких параметров работы биореактора как среднее время ферментации (Z), скорость потока среды (υ) при заданном объеме аппарата (V); концентрация биомассы и субстрата (X,S), продуктивность аппарата (G), выход биомассы (Y).
Методы стехиометрического и балансового расчетов позволяют на практике оценить эффективность преобразования сырья в целевой продукт. Эффективным методом контроля процесса ферментации является углеродно-кислородный баланс.
На практике в ряде случаев возникает необходимость в проведении оптимальных расчетов биореактора, т.е. выбора из возможных вариантов одного, обеспечивающего экстремальное значение заданного критерия оптимальности. Возможны два основных варианта постановки указанной задачи.
1). Для технологической линии проектируется биореактора заданной производительности G. Требуется выбрать оптимальные конструктивные, режимные, энергетические и другие характеристики, обеспечивающие выполнение условия оптимальности.
2). Для действующего биореактора заданных геометрических характеристик требуется выбрать оптимальные технологические и режимные параметры работы, обеспечивающие выполнение условия оптимальности.