Массообмен в процессах биосинтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Массообмен в процессах биосинтеза

Массообмен - критерий оценки скорости поступления каких-либо веществ из газообразной фазы в жидкость и из жидкости в клетку. Чаще всего этот процесс массобмена рассчитывают по кислороду или по углекислому газу.

Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.

Скорость процесса [в кг/(мг *с)] равна движущей силе Д, деленной на сопротивление R:

массообмен микроорганизм кислород

dAf/dF = Д/А,

где А -- количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF-поверхность контакта фаз.

Размерность коэффициента массопередачи: т.е. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз. А, исходя из этой поверхности, - размеров массообменных аппаратов. В интегральной форме уравнение массопередачи, записанное относительно величины F, примет следующий вид:

F = М&КА).

Обычно величина К является функцией многих переменных, и единого уравнения для определения значения К нет.

При анализе массообменных процессов будем исходить из условия состояния границы контакта фаз, что существенно различает механизмы процессов переноса массы. По этому принципу массообменные процессы подразделяют на массопередачу в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость- жидкость), массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ--твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело) и массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).

Для многих биологических агентов - микроорганизмов - необходим кислород. Он обычно плохо растворяется в воде и растворах. Растворимость его составляет обычно в питательных средах не более 4-7 мг/л (в чистой воде составляет 8,1 мг/л). Такое количество кислорода обеспечивает потребность микроорганизмов в нем в течение только нескольких минут, поэтому необходима аэрация. При аэрации происходит непрерывный транспорт кислорода из газовой фазы в жидкость, а затем в клетки. При этом всегда происходит отток из клетки углекислого газа, по которому также можно контролировать массообменные процессы.

Потребность культуры микроорганизмов в кислороде зависит от ряда факторов:

- концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости;

- наличия в среде других питательных веществ и ингибирующих рост микроорганизмов;

- вида источника углерода, т.е. степени его окисления.

- вида микроорганизма, т.е. его биологии.

Скорость потребления кислорода зависит также от объема культуральной жидкости. При концентрации растворенного кислорода ниже критической для данной культуры скорости его потребления и соответственно, роста снижаются, т.е. кислород становится лимитирующим фактором.

Если допустить, что весь потребляемый кислород клетками расходуется на получение энергии, необходимой ля роста биомассы, то можно оценить теоретическую потребность в кислороде, пользуясь стехиометрическим уравнением роста. Для этого рассчитывают количество биомассы теоретическое, а затем вычисляют практическое потребление кислорода. Какое будем меньшим? Разумеется, практическое потребление кислорода будет больше, так как он расходуется еще и на другие цели.

Обеспечение культуры кислородом должно проводиться с учетом того факта, что в зависимости от условий аэрации и перемешивания, парциального давления над культуральной жидкостью, может изменяться направление метаболизма. Существуют процессы, при которых лимит кислорода не должен быть (биосинтез ряда антибиотиков, органических кислот), тогда как при других процессах необходимы условия лимитирования кислородом. Следует отметить, что для большинства аэробных процессов наилучших результатов можно достичь при концентрации кислорода не ниже критической.

Массопередача кислорода и диоксида углерода в процессах ферментации

Кислород поступает в ферментационную жидкость с аэрирующим воздухом путем массопередачи через границу раздела фаз газ-жидкость. Простейшей моделью, описывающей этот процесс является рост культуры в стационарных условиях в виде пленки. На границе раздела фаз существует тонкая пленка жидкости, в которой массопередача кислорода происходит путем молекулярной диффузии, и существует градиент кислорода. В объеме жидкости концентрацию кислорода считают постоянной величиной. Процесс адсорбции кислорода описывается уравнением:

dC ₌ K_ixa (C*-C) - Q_O2,

dt

где K_i - константа, зависящая от коэффициента диффузии кислорода и толщины стационарной жидкой пленки, м/с; а - поверхность раздела фаз на единицу объема жидкости, м^-1; С* - концентрация кислорода в жидкой фазе, равновесная с газовой фазой, г/л; С - реальная концентрация кислорода в жидкости, г/л; Q_O2 - скорость потребления кислорода микроорганизмами, г(л*с).

Поскольку при изучении процессов массопередачи в реальных условиях параметры массопередачи K_i трудно определить раздельно, обычно для оценки ферментеров используют произведение K_ixa как объемный коэффициент массопередачи, а разность (C*-C) в формуле представляет собой движущую силу процесса массопередачи в системе газ-жидкость.

На практике обычно измеряют не концентрацию растворенного в жидкости кислорода, а его парциальное давление (парциальное давление в газовой фазе над жидкостью). Соотношение между парциальным давлением и концентрацией растворенного кислорода определяется уравнением Генри:

С= НрО₂

Где Н - константа Генри, зависящая от свойств культуральной жидкости. г/(лПа); рО₂ - парциальное давление растворенного кислорода в культуральной жидкости, Па.

Величина концентрации растворенного кислорода в процессе ферментации зависит от скорости его транспорта и потребления микроорганизмами. Время, необходимое для изменения концентрации кислорода при изменении одного из этих факторов (десятки секунд, минуты), несоизмеримо мало по сравнению с продолжительностью ферментации. При описании процесса потребления кислорода можно использовать принцип квазистационарности и считать, что в любой момент времени скорость потребления кислорода микроорганизмами равна скорости его транспорта из газовой фазы:

Q_O2= K_ixa(C* - С).

Как видно из этого выражения, движущая сила процесса массопередачи максимальна при С=0, то есть при полном отсутствии растворенного кислорода в культуральной жидкости. При этом скорость адсорбции кислорода

Q_O2 = K_ixaС* = K_ixa рО^r₂H,

где О^r₂ - парциальное давление кислорода в газовой фазе, Па.

На практике величина С снижается до значений, близких к нулю, особенно в периоды интенсивного роста. Величина С* определяется парциальным давлением кислорода в газовой фазе. Следует отметить, что при прохождении пузырьков через культуральную жидкость содержание кислорода в них снижается и достигает 18-20 %, а иногда и 16 %, тогда как в воздухе содержание кислорода 21 %. При использовании формул следует отметить, что необходимо принимать усредненное значение кислорода рО^r₂ - среднее значение логарифмической входной и выходной величин.

В ряде случаев условия аэрации и перемешивания влияют на кинетику роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов даже при высоких значениях концентрации растворенного кислорода. Одной из возможных причин может быть ингибирующее влияние диоксида углерода, который является продуктом дыхания микроорганизмов. Концентрация диоксида углерода определяется балансом между его поступлением в культуральную жидкость от микроорганизмов и транспортом в газовую фазу в процессах массопередачи; соответствующее уравнение аналогично уравнению:

dC ₌ K_ixa (C*-C) - Q_O2.

dt

Диоксид углерода ограничивает, в частности, возможность использования обогащенного кислорода воздуха, так как при этом, хотя и отсутствует лимитация по кислороду, скорость отвода растворенного СО₂, который может стать тормозящим фактором, не изменяется.

Следует отметить, что при изучении влияния растворенного диоксида углерода на процессы биосинтеза необходимо учитывать величину рН, так как её изменение влияет на соотношение между концентрациями растворенного диоксида углерода и иона бикарбоната. Влияние этих двух форм диоксида углерода на микроорганизмы может быть различно.

Массопередача между культуральной жидкостью и биомассой микроорганизмов

Клетки потребляют субстраты и выделяют продукты метаболизма; на границе раздела фаз жидкость-биомасса происходит транспорт веществ. Движущая сила этого процесса разность концентраций субстрата или метаболита на поверхности клетки и в основной массе жидкости. Скорость транспорта субстрата Q_s можно определить по уравнению массопередачи

Q_s = K_ж-т F (S_l - S),

где K_ж-т - коэффициент массоотдачи в системе жидкость-биомасса, м/с; F - площадь поверхности клетки, (точнее поверхности раздела фаз), м^-1; S_l и S - концентрации субстрата в основной массе жидкости и на поверхности клетки.

Величина K_ж-т существенно зависит от условий перемешивания среды. Увеличение интенсивности перемешивания приводит к повышению K_ж-т, а следовательно, к уменьшению разности между измеряемым значением концентрации субстрата S_l и фактически действующей на клетку концентрации S.

Поскольку на клетку действует концентрация S, а не S_l, то именно её следует использовать в качестве параметра кинетических уравнений. Так, для скорости потребления субстрата при кинетике Моно можно представить:

Q_s = Q_s ^maxS/(K_s + S),

где Q_s ^max и K_s - константы.

Выразив значение S из первого уравнения, подставив полученную зависимость в последнее уравнение, можно найти связь между скоростью потребления субстрата S и его измеряемой концентрацией S_l:

Q_s = Q_s ^max(S_l - Q_s/F K_ж-т)

K_s + (S_l - Q_s/F K_ж-т)

Это выражение можно аппроксимировать уравнением Моно:

Q_s = Q_s ^maxS_l

K_s+ S_l

В котором константа насыщения отличается от «истинной» макрокинетической константы K_s и равна:

Q_s ^max

K_s = K_s+ F K_ж-т

Скорость массопередачи жидкость-биомасса зависит от интенсивности перемешивания среды, поэтому в таких культурах при культивировании микроорганизмов в виде отдельных клеток малого размера (5-15 мк) процесс транспорта субстратов и метаболитов на границе жидкость-биомасса не оказывает влияния на вид кинетических уравнений.

Размещено на Allbest.ru