CC BY
107
УДК 579.083.13 + 663.131
С. Г. Мухачев, Ю. П. Александровская, Н. К. Филиппова,
В. М. Емельянов
КИНЕТИКА АЭРОБНОГО ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ
Исследован аэробный процесс выращивания посевной культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae в лабораторном мембранном биореакторе. Разработана динамическая модель, описывающая процессы массопереноса и биосинтеза, и осуществлено моделирование периодического роста посевной культуры в мембранном биореакторе при различной величине удельной поверхности мембраны.
Традиционное выращивание посевных материалов в спиртовых производствах осуществляется в анаэробных условиях при относительно низких скоростях роста и повышенном удельном расходе субстрата. Реализация более эффективных аэробных процессов культивирования дрожжей сопряжена с проблемой обеспечения асептических условий и низкой степенью извлечения кислорода из барботируемого газа. Исследован процесс культивирования дрожжей в условиях подачи чистого кислорода через непористую мембрану, обеспечивающую полную стерилизацию газового потока.
Проведена серия экспериментов с культурой спиртовых дрожжей БассЬаготусев сегеу1в1ае XII расы в мембранном биореакторе с рабочим объемом 0,5 литра. В качестве субстрата использовалась глюкоза. Среды и режимы выращивания стандартные. Отличие в величинах подпиток связано с более высокой скоростью срабатывания компонентов питания. Перепад давления кислорода на мембране увеличивали по мере роста биомассы в диапазоне 1 - 3 атм.
В качестве контроля проводилось анаэробное культивирование при прочих равных условиях. Максимальное соотношение концентраций биомассы в опыте и контроле составило 3,3. В среднем по данным пяти ферментаций в опыте нарастало в 2,5 раза больше биомассы, чем в контроле.
Традиционно массопередача через непористые материалы описывается уравнением [1,2]
КО = К • Р • АР, (1)
где КО - скорость транспорта кислорода через мембрану, г О2/ч; К - коэффициент диффузии кислорода, г О2/см2 атмч; Р - поверхность мембраны, см2; АР - перепад парциального давления кислорода на мембране, атм.
Очевидно, что скорости переноса кислорода через мембрану и растворения его в жидкости одинаковы при условии, что весь кислород потребляется сразу, не образуя газовых пузырьков. Указанное условие экспериментально проверено на модели связывания кислорода сульфитом натрия. Показано, что сульфитное число и скорость диффузии кислорода через мембрану практически совпадают. Абсолютные значения сульфитного числа невелики и ниже предельных скоростей потребления кислорода дрожжами при концен-
трации биомассы выше нескольких грамм в литре, т. е. и в реальном процессе культивирования условие равенства указанных скоростей будет соблюдаться:
К1Р(Р1Не-0) = КР-АР,
(2)
2
где К, Р - соответственно коэффициент массопередачи (л/см • ч) и парциальное давление (атм) кислорода в малоподвижном слое жидкости, омывающем мембрану; Не - константа Генри, г О2/л • атм; С - концентрация растворенного кислорода в ядре потока, г/л.
Поскольку концентрация кислорода в жидкой фазе определяется условиями равновесия с газовой фазой, образуемой десорбирующейся углекислотой, т.е. фактически вторичной десорбцией кислорода в пузырьки углекислого газа, то при расчете равновесной концентрации кислорода предполагалось, что скорость десорбции углекислого газа в конкретный момент времени фактически равна скорости его продуцирования популяцией дрожжей, рассчитываемой по балансу углерода. Мольная доля кислорода в газовой фазе, образованной вследствие процессов десорбции, будет приблизительно равна:
УО2 =
Ка 0/32
К,а0
К|Э • 0/32 + Моо2
К,а • 0 + 32М002
(3)
1
где К|а - объемный коэффициент массопередачи кислорода, ч- ; М002 - скорость продуцирования углекислого газа, г-моль СО2/л • ч.
С учетом вышеизложенного уравнение мгновенного материального баланса по кислороду примет вид
^ = К,.-Р (Рь-Не-0) + К,а-(Уо2-Ра-Не-0) - (О0 + Дэ т) X, (4)
где V - объем культуральной жидкости, л; Ра - давление в аппарате, атм; а0 - удельные затраты кислорода на поддержание жизнедеятельности, г/г АСД- ч; Д0 - удельные затраты кислорода в конструктивном обмене, г/г АСД; т - удельная скорость роста, ч- ; Х - концентрация биомассы, г АСД/л. Материальный баланс процесса рассчитывали, исходя из среднего состава биомассы дрожжей - СбН9,9бМ0,821О2,97. Экспериментальные значения коэффициентов затрат и образования компонентов в процессе биосинтеза определяли на основе идентифицированных величин удельных затрат субстрата на поддержание жизнедеятельности и биосинтез - ав и Дв [3] по квадратичному критерию расхождения экспериментальных и расчетных значений концентраций биомассы и субстрата - Х(1) и Б(1), представленных на рис. 1. После чего по балансу конструктивного обмена [4] рассчитывали остальные неизвестные параметры. Результаты Таблица 1 - Параметры затрат и образования компо-
идентификации представ- нентов в метаболизме поддержания и конструктивном
лены в таблице 1. обмене дрожжей 8ассИагошусе8 сегеу181ае, раса XII
Поскольку все сахаромицеты являются факультативными анаэробами,
традиционное представление зависимости скорости роста от концентрации растворенного кислорода
Параметр а ао ас ам
Значение, г/г АСД • ч 0,5 0,53 0,73 -
Параметр Дв Д0 До Ды
Значение, г/г АСД 2,164 0,974 1,451 0,091
Рис. 1 - Динамика концентраций биомассы и субстрата
в форме, предложенной Михаэлисом-Ментен и Моно, невозможно, так как в анаэробных условиях рост культуры дрожжей не прекращается. Но вследствие более низкой энергетической эффективности использования субстрата максимальная удельная скорость роста может быть ниже, чем в аэробном режиме, что подтверждается экспериментально. В первом приближении в условиях неидентичности обеспечения культуры кислородом в различных зонах рабочего объема биореактора суммарный рост популяции дрожжей можно представить аддитивной формулой ц = таЭр + 1кн, отражающей рост условно выделенной части популяции в аэробных условиях, а части популяции - в анаэробных условиях. Тогда удельная скорость роста может быть представлена следующим образом:
Э N С я Э N К
К5+Э Км+Ы Кс+С
• у+тт
К5+Э Км+Ы Кс+С
• (1-у) ,
(5)
где ттах и т™ " максимальные скорости роста в аэробных и анаэробных условиях соответственно, ч- ; N - концентрация азотсодержащего компонента питания, г/л; Кэ, Км, Кс - константы Моно для соответствующих компонентов, г/л; у - доля биомассы, растущей в аэробных условиях.
Транспорт кислорода в клетку, определяемый константой Кс, с одной стороны, стимулирует аэробные процессы по механизму неконкурентного лимитирования, а с другой, замедляет анаэробные процессы по механизму неконкурентного ингибирования. Данная модель (уравнение 5) является аддитивной формой модели Моно-Иерусалимского, которая может найти применение при описании процессов роста любых факультативных анаэробов в условиях существенной неоднородности концентрации кислорода в рабочем объеме аппарата.
Динамика концентраций биомассы, субстрата и источника азота может быть представлена в виде
СІХ „ СЭ . „ ... „
“ГГ- т' Х ; —----(аэ + т)Х ; ~7.-тХ .
Сг Сг Сг
С использованием модели (4)-(6) рассчитывалась серия периодических процессов с различной начальной концентрацией субстрата, равной 20, 30 и 40 г/л. Конечная концентрация биомассы закономерно возросла с 6,5 до 12 г/л. При этом наблюдалось увеличение продолжительности процесса роста с 5 до 7 часов.
В серии расчетных экспериментов с использованием полученной модели для условий отсутствия субстратного лимитирования процесс роста прекращался вследствие исчерпывания источника азота. Увеличение вдвое поверхности мембраны при этом привело к сокращению продолжительности процесса с 6,5 до 4,5 часа.
Таким образом, обоснована возможность интенсификации процесса выращивания посевного материала, применяемого в спиртовом производстве. Для технически реализуемого максимального значения удельной поверхности мембраны, равной 100 м /м , концентрация посевного материала на 8 часов роста при отсутствии лимитирования компонентами питания составила 25 кг АСБ/м3, что в 4 раза выше, чем в анаэробном варианте реализации процесса.
Литература
1. Свитцов А.А., Орлов Н.С. Мембраны в различных отраслях науки и техники. Ч.2. Состояние и перспективы мембранных технологий. М.: ГКНТ, ВНТИЦ, 1988.-126 с.
2. Кестинг Р.Е. Синтетические полимерные мембраны. Структурный аспект. М.: Химия, 1991. 336 с.
3. Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978. 332 с.
4. Иванов В.Н. Энергетика роста микроорганизмов.- Киев: Наукова думка, 1981. 140 с.
© С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, вед. инж. каф. химической кибернетики КГТУ; Ю. П. Александровская - ст. преп. той же кафедры; Н. К. Филиппова - электроник 1-ой категории ЦНИТ КГТУ; В. М. Емельянов - д-р техн.наук, проф. зав. каф. химической кибернетики КГТУ.
