Теория хемостата

Классификация методов культивирования

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ КЛЕТОК

Влияние азота и фосфора на рост микроорганизмов

Азот и фосфор относятся к важнейшим биогенным элементам, необходимым для роста всех клеток. Азот необходим для конструктивного обмена (синтеза белков), фосфор используется в конструктивном и энергетическом обменах, входя в состав таких биомолекул, как ДНК, РНК, фосфолипиды и АТФ.

Зависимость удельной скорости роста от концентрации азота и фосфора подчиняется уравнению Моно при величине константы Моно по азоту 0,1-0,5 мг/л, по фосфору 0,1-0,2 мг/л.

При лимитировании роста по азоту, а также одновременно по азоту и фосфору, клетки часто переходят на синтез безазотистых соединений, т.е. вместо белков синтезируются полисахариды, липиды и поли-b-оксимасляная кислота. Количество безазотистых соединений в клетке становится значительно больше нормального уровня, поэтому говорят о сверхсинтезе безазотистых соединений.

Данное явление используется в биотехнологии, например, для получения полисахаридов. В системах биологической очистки воды сверхсинтез полисахаридов играет отрицательную роль, ухудшая способность бактериальных хлопьев (хлопьев активного ила) к осаждению.

В условиях сверхсинтеза безазотистых соединений экономический коэффициент достигает аномально высоких значений, превосходящих величину истинного экономического коэффициента. Это связано с низкими затратами энергии на биосинтез полисахаридов и липидов, чем на биосинтез белков, соответственно, меньшая часть субстрата вовлекается в энергетический обмен (окисляется для получения энергии), и основная часть субстрата трансформируется в биомассу в ходе конструктивного обмена. Но образующаяся биомасса имеет аномальный состав с преобладанием тех или иных безазотистых соединений. Так, содержание липидов может достигать 70 % против 5-10 % в норме, а полисахаридов – до 80 %, против обычного их содержания в биомассе клеток около 15 %.

В зависимости от режима процесса выделяют периодическое и непрерывное культивирование.

Периодическое культивирование подразделяют на простое и отъемно-доливное. При простом периодическом культивировании в биореактор загружают свежую питательную среду и клетки, проводят процесс определенное время без добавок субстрата и отвода культуральной жидкости, затем реактор опорожняют и вновь повторяют цикл культивирования. Отъемно-доливное культивирование отличается тем, что после завершения процесса реактор полностью не опорожняют, а лишь удаляют (отнимают) часть культуральной жидкости (клетки остаются в реакторе) и затем доливают в реактор такой же объем свежей питательной среды.

Периодическое культивирование легко реализовать как в лабораторных, так и в промышленных условиях, но на практике оно применяется все же реже, так уступает непрерывному культивированию по производительности и стабильности. Из систем биологической очистки в режиме отъемно-доливного культивирования работают аэротенки периодического действия, иногда применяемые для очистки небольших объемов сточных вод.

Непрерывное (проточное) культивирование – это метод, при котором в биореактор непрерывно подается раствор субстрата и с тем же объемным расходом отводится суспензия клеток или культуральная жидкость. В зависимости от гидродинамического режима в биореакторе выделяют два основных типа непрерывного культивирования: тубулярная культура и хемостат. В тубулярной культуре биореактор по гидродинамическому режиму является идеальным вытеснителем. Хемостат – это установка непрерывного культивирования в реакторе идеального смешения при постоянной скорости разбавления.

В проточном реакторе-вытеснителе (тубулярной культуре) продольное перемешивание практически отсутствует, при этом условия среды и состояние микроорганизмов изменяются по длине реактора так же, как с течением времени в периодической культуре (рис. 3.1 а). На этой основе в лабораторных условиях тубулярную культуру часто моделируют путем периодического культивирования. Например, аэротенк-вытеснитель моделируется отъемно-доливным культивированием.

а)
б)
в)
г)

Условные обозначения:	- расход; - концентрация субстрата; - концентрация биомассы; - линейная координата; - длина биореактора.

Рис. 3.1. Схемы непрерывного культивирования: а) тубулярная культура без возврата биомассы; б) хемостат без возврата биомассы; в) батарея хемостатов; г) непрерывное культивирование с возвратом биомассы (система биологической очистки аэротенк-отстойник).

Принципиально другими свойствами обладает хемостат, позволяющий в течение длительного времени поддерживать стабильные условия среды и стабильное физиологическое состояние микроорганизмов (рис. 3.1 б). Кроме того, хемостат может устойчиво работать даже при отстутствии микроорганизмов в поступающей питательной среде.

Последовательно соединенные реакторы идеального смешения (батарея хемостатов) образует систему, приближающуюся по гидродинамическому режиму к идеальному вытеснению (рис. 3.1 в). Поэтому на практике биореактор-вытеснитель часто представляет собой батарею хемостатов.

Непрерывное культивирование может осуществляться без возврата и с возвратом биомассы в реактор. В режиме непрерывного культивирования без возврата биомассы работают биопруды, применяемые для доочистки сточных вод. Аэротенки относятся к реакторам непрерывного культивирования с возвратом биомассы. Микроорганизмы в аэротенках находятся в виде агрегатов, состоящих из тысяч слипшихся клеток. Эти агрегаты, называемые хлопьями активного ила, хорошо оседают при отстаивании. Поэтому для отделения биомассы от воды обычно используют отстойники. Аэротенк вместе с отстойником образует единую систему биологической очистки, работающую в режиме непрерывного культивирования с возвратом биомассы (рис. 3.1 г).

Клетки в биореакторах могут находиться в различных формах: суспендированные дисперсные клетки, суспендированные клеточные агрегаты (например, хлопья активного ила), иммобилизованные клетки (например, биопленки на твердых поверхностях), биогранулы размером 1-2 мм, состоящие из множества клеток.

В зависимости от кислородного режима выделяют аэробное и анаэробное культивирование. Кроме того, при биологической очистке от азота используют аноксидное культивирование (в биореакторе отсутствует растворенный кислород, но имеется химически связанный кислород в виде нитритов и нитратов).

Хемостат без возврата биомассы. Изменение количества биомассы в хемостате определяется ее приростом, поступлением с потоком питательной среды и оттоком из реактора. Для бесконечно малого промежутка времени этот баланс задается уравнением:

, (3.1)

где - гидравлический объем хемостата, м³; - концентрация биомассы в хемостате, кг/м³; - удельная скорость роста клеток, ч^-1; - объемный расход питательной среды, м³/ч; - концентрация биомассы в питательной среде, подаваемой в хемостат, кг/м³.

Поделив на , получим:

, (3.2)

где - скорость разбавления, ч^-1.

При =0

. (3.3)

Отсюда вытекает важное свойство хемостата – автоматическая стабилизация режима. Действительно, если повысится сверх заданной нами величины , то согласно (3.3), при >0, скорость изменения концентрации биомассы в хемостате >0. Следовательно, величина будет возрастать, что повлечет снижение , которая по определению обратно пропорциональна (зависимость (2.1)). Аналогичным образом, если окажется < , то это вызовет увеличение .

Таким образом, при отклонении от задаваемой скорости разбавления , хемостат автоматически возвращает значение , поддерживая равенство = , отвечающее стационарному режиму.

Баланс по субстрату и продукту приводит к уравнениям:

, (3.4)

, (3.5)

где , - концентрация субстрата соответственно в поступающей питательной среде и в хемостате, кг/м³; - экономический коэффициент (разд. 2.1); - выход продукта (разд. 2.1); - концентрация продукта в хемостате, кг/м³.

Как следует из (3.3)-(3.5), в стационарном режиме ( =0, =0, =0):

= , (3.6)

, (3.7)

. (3.8)

Если зависимость от подчиняется уравнению Моно (разд. 2.3), то подставляя , получим выражения для стационарных концентраций биомассы, субстрата и продукта в хемостате:

, (3.9)

, (3.10)

. (3.11)

Как видно из этих уравнений, стационарные концентрации биомассы и продукта линейно возрастают с увеличением концентрации субстрата в поступающем потоке питательной среды . Напротив, стационарная концентрация субстрата в хемостате не зависит от величины и целиком определяется задаваемой нами скоростью разбавления и константой Моно .

С увеличением скорости разбавления концентрация субстрата возрастает, стремясь к начальной величине , а концентрация биомассы и продукта падает до нуля. Скорость разбавления, при которой рост в хемостате прекращается (соответственно, = , =0, =0), называется критической. Величина критической скорости разбавления находится из уравнений (3.9)-(3.11). Например, из (3.9), при =0, получим:

. (3.12)

Обычно >> , поэтому в первом приближении выполняется: .

С приближением скорости разбавления к критической (в области ) рост в хемостате невозможен. На этом основан отбор видов в хемостате. Принцип отбора видов состоит в следующем. Если в хемостат загрузить смешанную культуру, состоящую из нескольких видов микроорганизмов, то после включения хемостата при скорости разбавления в нем останутся только те виды, для которых выполняется: > . Остальные виды, для которых £ , покинут хемостат. Увеличивая величину , можно добиться того, что в хемостате останется только один, самый быстрорастущий вид микроорганизимов.

При ингибировании роста уравнения (3.6)-(3.8) сохраняются, но зависимость не подчиняется уравнению Моно. Соответственно, изменяются выражения для стационарных концентраций биомассы, субстрата и продукта в хемостате.

Хемостат с возвратом биомассы. Возврат или рециркуляция биомассы (рис. 3.1 г) увеличивает ее концентрацию в биореакторе, что повышает скорость потребления субстрата. В хемостате без возврата биомассы, как следует из уравнений (3.6) и (3.7):

. (3.13)

В хемостате с возвратом биомассы ее концентрация в биореакторе:

, (3.14)

где - коэффициент рециркуляции биомассы (рис. 4.1 г), - концентрация возвращаемой биомассы, кг/м³.

Для аэротенков-смесителей отношение =20-50, т.е. возврат биомассы позволяет в десятки раз повысить концентрацию активного ила и, следовательно, скорость биологической очистки.

Системы биологической очистки работают в условиях нестабильности расхода поступающей воды и концентрации примесей, служащих субстратом для микроорганизмов. В этих условиях требуется значительно увеличить критическую скорость разбавления с тем, чтобы неравенство > надежно выполнялось во всем диапазоне изменений величины , зависящей от расхода воды. Это и достигается при введении возврата биомассы, который позволяет в десятки раз увеличить критическую скорость разбавления:

, (3.15)

где , - соответственно, критическая скорость разбавления в хемостате с возвратом биомассы и без возврата биомассы, ч^-1.

Дата добавления: 2014-12-27