Массообмен при ферментации

Развитие популяции микроорганизмов зависит от подвода питательных веществ и кислорода к клеткам и отвода от них продуктов метаболизма. Подвод кислорода и отвод газообразных метаболитов осуществляется барботажем воздуха. А интенсификация обменных процессов между жидкой, твердой и газовой фазами обеспечивается за счет перемешивания среды.

Процесс переноса кислорода из газовой фазы в жидкость является определяющим для аэробных процессов культивирования микроорганизмов, т.к. наличие растворенного кислорода в жидкости является основным условием их существования.

Растворимость кислорода в жидкости зависит от многих факторов, но основными являются три: давление, температура и состав культуральной жидкости.

Зависимость концентрации растворенного кислорода в жидкости определяется законом Генри:

С=Р/Е,

где С - мольная доля газа в жидкой фазе; Р - парциальное давление кислорода в газовой фазе; Е - константа Генри.

Влияние температуры на концентрацию кислорода в жидкости описывается полиномиальной зависимостью вида:

С = а₀ + а₁*Т + а₂*Т² + а₃*Т³ +....

где а₀, а₁, а₂ - коэффициенты уравнения и çа₀ç> çа₁ç> çа₂ç> çа₃ç>.....

В частности, концентрация кислорода в воде:

С = 14,16 - 0,3943Т + 0,0077141Т² - 0,000646Т³ +.....

Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры всегда уменьшается, а с повышением давления - увеличивается.

Присутствие питательных веществ и продуктов метаболизма в КЖ снижает растворимость кислорода по сравнению с чистой водой.

ПАВы, присутствующие в КЖ, оказывают двоякое действие: с одной стороны они способствуют увеличению МФП при диспергировании, с другой - загрязняют поверхность газовой фазы и препятствуют переносу кислорода.

Растворимость кислорода в воде или культуральной жидкости не превышает 4-7 мг/л, а потребление кислорода большинством известных микроорганизмов составляет 0,1-0,3 мг/л*c при их массовой концентрации в суспензии 1-2%. Т.е. запаса кислорода в жидкости хватает на 20-30 секунд и поэтому необходим постоянный подвод кислорода. Данная задача решается при помощи барботажа воздуха и использования перемешивающих устройств.

Возникает вопрос: "Сколько воздуха необходимо подавать, чтобы обеспечить нормальные условия жизнедеятельности?".

Формально количество кислорода (и соответственно количество аэрирующего воздуха) может быть определено из стехиометрических соотношений, на практике же рассчитывается по уравнениям массопередачи.

В аппарате протекают одновременно два процесса: процесс абсорбции кислорода воздуха в воду и процесс потребления растворенного О₂ микроорганизмами из жидкости. Следовательно концентрация О₂ в жидкости определяется соотношением скоростей абсорбции О₂ водой и потребления О₂ клетками.

Интенсивность первого процесса зависит в основном от технического оформления процесса диспергирования воздуха. Потребление же кислорода клетками связано с их физиологическим состоянием, которое зависит от большого числа факторов, в том числе и от концентрации растворенного О₂ в КЖ.

Очевидно (на первый взгляд), что чем больше концентрация кислорода, тем больше его потребление и скорость роста микроорганизмов. Но потребление кислорода микроорганизмами имеет предел. Зависимость удельной скорости потребления О₂ от концентрации О₂ имеет S-образный вид (рис.15) и описывается уравнением Михаэлиса-Ментена:

q = q_мах*(C/(K_с+C)),

где С - концентрация О₂ в КЖ, г/м³; q_max - величина предельного потребления кислорода, моль/кг*ч; К_с - константа, численно равная концентрации кислорода, при которой потребление = q_max /2 (половине максимального).

С_кр - критическое значение концентрации, выше которой процесс не лимитируется кислородом. Если концентрация О₂ ниже С_кр, то клеткам не хватает кислорода и они частично погибают. Значение С_кр зависит от вида микроорганизмов, фазы их роста и от температуры среды.

Для большинства биомасс величина этой концентрации составляет 10-20% от значения равновесной концентрации кислорода, т.е. 0,7-1,4 мг/л, но в аппаратах ее стремятся поддерживать на уровне 1,5-3 мг/л с целью компенсации малой скорости диффузии О₂ в неоднородной среде.

Это ведет к завышенному расходу воздуха и коэффициент использования (утилизации) кислорода в аппаратах составляет 5-30%. 19

Дата добавления: 2014-01-14