Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
Осветленные отходы или
Fgx = aFsgx+cFgx + (1 -с) Ftix, (54)
где с - доля потока F, вытекающего из системы в виде концентрированных
отходов, h - концентрационный коэффициент по биомассе в осветленном
потоке, вытекающем из сепаратора.
Подставив сюда выражение для Fs [соотношение (46)], получим
h= Q-ag)-cg(l-a) g
(1-е) (1-с)
Если реактор работает в стационарном режиме, то его производительность
(но не производительность системы в целом) по биомассе будет равна
P'n=IdL-, (56)
или, после замены F.,
pt Dx(l-ag) 5?
(1-е) 1
Зависимость между производительностью Р'я, концентрацией микробной
биомассы в стационарном состоянии х, концентрацией лимитирующего
субстрата в стационарном состоянии s и скоростью разбавления представлена
на рис. 10.9. Из этих соотношений с очевидностью следует потенциальная
возможность увеличения рабочей скорости разбавления или благодаря
повторному использованию биомассы, как в рассматриваемом нами случае, или
путем удержания активной биомассы.
Вернемся теперь к анализу работы проточного биореактора с полным
вытеснением. В этом случае в каждом малом элементе жидкости dv,
проходящем через биореактор, имеет место в основном экспоненциальный рост
([х = р,т), если только концентрация первого лимитирующего субстрата
значительно превышает константу насыщения Ks- Рост биомассы в таком
биореакторе без рецикла описывается следующим уравнением:
In х = In Xq -(- pm t, (58)
где Xo - концентрация биомассы в среде, поступающей в биореактор, х -
концентрация в момент времени t. Если v - объ-
Химическая технология и биотехнология
429
16 14 12 10' 8 6 , 4
J0
Рис. 10.9. Теоретическая зависимость концентрации биомассы и
лимитирующего субстрата в стационарном состоянии, а также выхода
микробной биомассы в биореакторе от скорости разбавления для хемостата с
концентрированием микробной биомассы и ее повторным использованием
(p.m=l,0 ч-1, Ks = = 0,1 г-л-1, Yx/s=0,5, So=10 г-л-1, а=0,2, g=4).
ем культуральной среды, вышедшей из биореактора за время t, то t = v/F =
vJVd. Подставив это выражение для t в уравнение <(58), получаем
ln* = lnx0+-^. (59)
При рециркуляции микробной биомассы в проточном биореакторе с полным
вытеснением никакой внешней инокуляции не требуется. В подобной системе
общий поток, вытекающий из биореактора (но не из всей системы),
описывается уравнением (46), как и в случае рассмотренного
выше реактора с рециркуляцией. Если биомасса концентрируется
в сепараторе в g раз,
то доля ее, повторно используемая в биореакторе, будет равна ag. Если Xvf
- концентрация биомассы в потоке, вытекающем из биореактора, то в
стационарном состоянии хо = agxvi. Время t, за которое из реактора
вытечет объем V, равно
рП-Д) . (60)
Приняв о = Уи - объему, при котором происходит исчерпание лимитирующего
субстрата, и заменив х и t в уравнении (59), для стационарного состояния
получим
430
Глава 10
F
(hi -) . \ ag I
(1 - a) [xm
При Va = V (объем жидкости в биореакторе) это соотношение принимает вид
В случае суспензионных культур проточные реакторы с полным вытеснением
используются редко. Как правило, реакторы работают в режиме, близком к
режиму полного перемешивания, разумеется, применительно к жидкой фазе.
Тем не менее не следует считать, что в системе действительно
осуществляется идеальное перемешивание, пока не проанализированы все
возможные причины появления неоднородности (например, из-за пристеночного
роста и т. п.). Вероятно, самым лучшим приближением к реактору с полным
вытеснением был бы каскад последовательных реакторов с идеальным
перемешиванием без дополнительных поступлений питательных веществ, однако
для этого число биореакторов, составляющих такой каскад, должно быть
бесконечным. Неидеальный поток с полным вытеснением можно получить, лишь
когда работает более шести последовательных биореакторов.
10.3.2. Анализ размерностей и масштабирование
Анализ размерностей и моделирование с помощью безразмерных величин широко
применяются в химической технологии и не менее важны для конструирования
биореакторов и их масштабирования. С анализом размерностей и с
безразмерными величинами хорошо знакомы лишь немногие микробиологи. Это
прежде всего метод, с помощью которого можно получить какую-то информацию
о взаимосвязях между переменными; характеризующими определенные
физические системы. Ценность такого подхода состоит в том, что его можно
применять в тех случаях, когда мы располагаем неполной информацией о
системе, и тогда получаемая частичная информация нередко1 имеет большую
ценность, позволяя уменьшить число экспериментов, необходимых для
получения полной информации.
Рассмотрим, например, физическую абсорбцию кислорода в аэрируемом
биореакторе. Очевидно, что для полного описания системы с физической
точки зрения необходимо вывести сложные гидродинамические уравнения,
описывающие переме-
(62>
Максимальная величина xw, xm, равна
xm-Ys0 + x0.
(63)
Химическая технология и биотехнология
