Математическое моделирование динамики процесса анаэробной переработки ила - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
Несмотря На Очевидные Выгоды, Связанные С Образованием Газооб...
Несмотря на очевидные выгоды, связанные с образованием газообразного топлива и ценного удобрения (твердых отходов), метантенки заслужили плохую репутацию в силу ряда проблем, возникающих при их эксплуатации. Опубликованы данные о многочисленных нарушениях режима работы метантенков; чаще всего неполадки связаны с гидравлической, органической или токсической перегрузками. В первом случае (при гидравлической перегрузке) скорость разведения превышает скорость роста микроорганизмов, и в результате последние вымываются из системы. Чрезмерно высокие концентрации органического субстрата, с другой стороны, вызывают накопление летучих кислот, что приводит к ингибированию роста метанобразующих бактерий и таким образом к нарушению нормального режима работы метантенка по мере падения рН. К тому же результату ведет и повышенная концентрация веществ, токсичных по отношению к метанобразующим бактериям; в этом случае они также вымываются из системы.
Поскольку работа в более стабильных эксплуатационных режимах способствовала бы более широкому распространению и более успешному использованию процессов анаэробной переработки ила, очевидна необходимость изучения динамики соответствующих систем с целью разработки адекватных методов управления. В этом разделе мы обсудим очень интересную математическую модель процесса анаэробной переработки ила, разработанную Граефом и Эндрюсом. Кроме того, в примере 14.3 мы рассмотрим некоторые принципы управления такими процессами. Эта модель является как бы кульминационным пунктом всего обширного материала, изложенного в настоящей книге, поскольку в ней учтены теснейшие взаимосвязи между физическими, химическими и биологическими факторами; она представляет собой синтез классического инженерного искусства и основных результатов изучения биологии системы и успешно решает конкретную биохимическую инженерную задачу.
Выше уже упоминалось, что в последовательности биологических реакций (14.13) стадией, определяющей скорость всей последовательности, является трансформация летучих кислот метанобразующими бактериями. Допустив, что все летучие кислоты можно представить в виде уксусной кислоты и что состав метанобразующих бактерий приближенно выражается формулой C5H7NO2, Граеф и Эндрюс [7] предложили следующую стехиометрию «реакции» газификации:
(14.14)
Считается, что лимитирующим субстратом для этой «реакции» являются неионизированные летучие кислоты. В общем случае в силу ионизации концентрация неионизированного субстрата (HS) отличается от его общей концентрации s:
(14.15)
Здесь символом S- обозначен ионизированный субстрат. Поскольку —lgKa = pKa = 4,5, а метантенк функционирует при рН выше 6, то практически вся кислота должна находиться в ионизированной форме, так что
(14.16)
(14.17)
Для того чтобы в модели было учтено известное ингибирующее действие высоких концентраций субстрата, Граеф и Эндрюс [7] модифицировали уравнение Моно для удельной скорости роста микроорганизмов следующим образом:
(14.18)
С такой формой уравнения Моно мы уже познакомились при изучении кинетики клеточного роста в гл. 7. В уравнении бактериального роста отражена также скорость гибели микроорганизмов; считается, что этот процесс имеет первый порядок по концентрации токсина [tox]*;
* Во избежание недоразумений здесь концентрации некоторых компонентов обозначены соответствующими символами в квадратных скобка.х; концентрации других компонентов, как обычно, обозначены строчными буквами.
(14.19)
На базе ранее опубликованных данных и собственных оценок Граеф и Эндрюс предложили следующие значения для параметров, входящих в состав указанных уравнений: μmax = 0,4 сут-1, KS = 0,0333 ммоль/л, Ki = 0,667 ммоль/л, kT = 2,0 сут-1.
Если далее принять, что экономические коэффициенты образования биомассы по лимитирующему рост субстрату, CO2 и СН4 (YX/S, YCO2/X и YCH4/X соответственно) постоянны, то уравнения материальных балансов по субстрату и биомассе в изучаемой системе примут форму, представленную в нижней части рис. 14.21. Параметры RB и QCH4 обозначают скорости образования CO2 и метана в ходе биологической газификации. В условиях, типичных для процессов анаэробной переработки ила, плотность газа ро равна 0,0389 моль/л, а YCH4/X и YCO2/X равны 28,8 моль/моль. Как показано на рис. 14.21, растворимость метана в среде очень низка и весь образующийся метан переходит в газовую фазу.
РИС. 14.21. Схема математической модели анаэробной переработки ила. Стрелками указаны потоки информации между подсистемами и взаимодействия с внешним окружением. [Из работы: Graef S. Р., Andrews J. F., Mathematical Modeling and Control of Anaerobic Digestion, in Water-1973, Bennet G. F. ,(ed). CEP Symp. Ser. No. 136, 76, 101 (1974).]
Напротив, CO2 существует как в жидкой фазе (в двух формах), так и в газовой фазе. Скорость переноса СО2 из газовой фазы в жидкую описывается известным уравнением (гл. 8)
(14.20)
где [CO2]D—концентрация растворенного СО2, а [СО2]D* — концентрация растворенного СО2 в состоянии равновесия. Из закона Генри следует
(14.21)
где pCO2 — парциальное давление CO2 в газовой фазе. Для параметров kLa и KH Граеф и Эндрюс предложили значения 100 сут-1 и 3,25-10-5 моль/(л/мм рт. ст.) соответственно.
Другой способ существования CO2 в жидкой фазе обусловлен образованием бикарбонатного иона согласно уравнению
(14.22}
Если скорость этой реакции обозначить символом RC, то уравнение материального баланса по бикарбонатному иону в жидкой фазе можно записать в следующем виде:
(14.23)
Независимое выражение для d[HCO3-]/dt можно найти, исходя из требования электронейтральности:
(14.24)
где c — общая концентрация катионов, включая катионы кальция, натрия, магния и аммония, и a — общая концентрация анионов (хлорида, фосфата, сульфида и т. п.). Если система функционирует в нормальном диапазоне рН (от 6 до 8), то концентрации [H+], [OH-] и [CO32-] пренебрежимо малы и уравнение (14.24) преобразуется в выражение
(14.25)
где результирующая концентрация катионов z определяется как
(14.26)
а вместо s- в соответствии с уравнением (14.16) используется s. Если концентрация сульфидов не слишком высока, то z приближенно соответствует концентрации аммониевого иона. Предположим, что уравнение материального баланса по Z можно записать в виде
(14.27)
Далее, дифференцируя уравнение (14.25) по времени, получим
(14.28)
Исключение с d[HCO3-]/dt из уравнений (14.28) и (14.23) дает
(14.29)
Как показано на рис. 14.21, эта скорость учтена в уравнении материального баланса по CO2 в жидкой фазе.
Вывод уравнений материальных балансов по компонентами газовой фазы не представляет затруднений (см. рис. 14.21). Обратите внимание на то, что общая скорость газового потока определяется на базе различных скоростей газообразования для отдельных компонентов, рассчитываемых с помощью тех или иных уравнений модели.
Теперь перейдем к рассмотрению некоторых результатов, полученных с помощью описываемой модели. В табл. 14.11 перечислены значения параметров модели и стандартные условия (для стационарного состояния), принятые в соответствующих расчетах. Моделирование периодического процесса анаэробной переработки ила (соответствующие уравнения легко получить, подставив F = 0 в уравнения для системы непрерывного действия) показывает, что повышение начальной плотности популяции организмов или начального значения рН, или снижение начальной концентрации субстрата должно приводить к уменьшению продолжительности периодического процесса. Действительно, такая закономерность наблюдалась в эксплуатируемых системах.
Граеф и Эндрюс изучали также особенности стартового периода работы биореактора для анаэробной переработки ила. Они показали, что модель прогнозирует, во-первых, уменьшение продолжительности стартового периода при повышении начального значения рН или концентрации ила в поступающем в систему потоке, во-вторых, нарушение нормального режима биореактора, если начальное значение рН или концентрация ила слишком низки, в-третьих, уменьшение вероятности нарушения режима биореактора при медленном увеличении нагрузки (в стартовом периоде) до установленной величины.
Таблица 14.11. Условия стандартного стационарного состояния и значения параметров, использовавшиеся при моделировании процесса анаэробной переработки илаа
И в этом случае результаты расчетов хорошо согласовывались с особенностями эксплуатируемых биореакторов для анаэробной переработки ила.
Рассматриваемая модель отражает три типа нарушения режима, упомянутые в начале этого раздела. Результаты моделирования органической и гидравлической перегрузок представлены на рис. 14.22 и 14.23. В соответствующих расчетах принято, что ступенчатое изменение количества или состава поступающего в бпореактор ила происходит при t=1 сут. Если величина этого изменения достаточно мала, например, менее 35,7 г/л для концентрации субстрата и менее 2,5 л/сут для скорости потока суспензии ила (при номинальной скорости потока 1 л/сут), то система вскоре переходит в новое устойчивое стационарное состояние, параметры которого близки параметрам начального стационарного состояния. Более глубокие вариации состава или количества поступающего в систему ила вызывают серьезные нарушения хода процесса, связанные с резким падением значения рН и скорости образования метана, а также с быстрым повышением концентрации летучих кислот в продукте процесса. Как показывают расчеты, резкое повышение концентрации токсичного агента также приводит к нарушению режима процесса, если концентрация этого агента превышает некоторое пороговое значение.
Итак, рассматриваемая модель качественно вполне удовлетворительно описывает некоторые стороны динамики процесса анаэробной переработки ила. Дальнейшее изучение и совершенствование этой модели будет способствовать, с одной стороны, развитию наших представлений о таком сложном процессе, а с другой — улучшению методов проектирования соответствующих биореакторов и управления ими. Действительно, в работах Эндрюса и других исследователей содержится ряд конкретных предложений, направленных на разработку принципов управления процессом анаэробной переработки ила и методов обнаружения возможных отклонений от режима [5—7]. В приведенном ниже примере рассмотрена одна из наиболее интересных схем управления, предложенных этими исследователями. Следует подчеркнуть, что необходимой составной частью разработки систем управления процессом является математическая модель, отражающая известные важнейшие детали динамики реального процесса.
Пример 14.3. Моделирование методов управления процессами анаэробной переработки ила. Граеф и Эндрюс рассматривали следующие четыре метода управления процессами анаэробной переработки ила; 1) частичное поглощение и рециркуляция газа; 2) добавление основания; 3) рециркуляция биомассы; 4) снижение скорости потока суспензии ила. Поскольку первый метод управления наименее типичен и поскольку в нем используется часть модели, описывающая ионное равновесие, то здесь мы сосредоточим внимание именно на методе управления путем частичного поглощения и рециркуляции газа.
РИС. 14.22. Характер отклика системы для анаэробной переработки ила зависит от масштаба изменения концентрации субстрата s0 в поступающем в систему потоке. Если изменение величины s0 превышает 36,3 г/л, то работа системы нарушается. [Из работы; GraefS. Р., Andrews J. F., Mathematical Modeling and Control of Anaerobic Digestion, in VVater-1973, Bennett G. F., (ed.) CEP Symp. Ser. No. 136, 76, 101 (1974).]
РИС. 14.23. Вычисленный с помощью математической модели отклик системы для анаэробной переработки ила на ступенчатое изменение гидравлической нагрузки F (F1=l л/сут). [Из работы: Graef S. Р., Andrews J. F., Matheinatica] Modeling and Control of Anaerobic Digestion, in Water-1973, Bennett Q. F- (ed.), CEP Symp. Ser. No- 136, 76, 101 (1974).]
(Третий и четвертый методы управления рассмотрены в упражнении 14.9.)
На рис. 14П3.1 представлена схема, иллюстрирующая принцип этого метода управления. Как показано па рисунке, часть газа, образующегося в процессе анаэробной переработки ила, отделяют, пропускают через скруббер для поглощения CO2 и затем вновь возвращают в биореактор. Значение рН в биореакторе определяет, какая доля CO2 будет поглощаться при прохождении через эту рециркуляционную линию. Если значение рН в биореакторе падает яиже определенной пороговой величины, то скорость газового потока через скруббер повышают.
РИС. 14П3.1. Система селективного поглощения и рециркуляции отходящих газов. [Из работы; Graef S. Р., Andrews J. F., Mathematical Modeling and Control of Anaerobic Digestion, in Water-1973, Bennett G. F. (ed.), CEP Symp. Ser. No. 136, 76, 101 (1974).]
Удаление CO2 из отходящих газов приводит к снижению концентрации углекислоты и в жидкой фазе, что вызывает повышение рН.
Такой довольно своеобразный подход к регулированию рН имеет несколько потенциальных преимуществ перед обычными методами, основанными на добавлении основания. Добавление концентрированных растворов щелочей может приводить к образованию (по крайней мере, временному) зон с чрезвычайно высоким значением рН, в то время как рН всей системы при этом практически останется на прежнем уровне. Более того, содержащиеся в щелочи катионы металлов могут оказаться токсичными по отношению к популяциям микроорганизмов в биореакторе. При другом способе подщелачнвання — добавлении извести — возникает ряд трудностей, связанных с образованием нерастворимого карбоната кальция.
После проверки предложенной ими системы управления Граеф и Эндрюс пришли к выводу, что лучшие результаты достигаются при одновременном регулировании на нескольких уровнях. В предложенной ими схеме имеются два частично перекрывающихся диапазона рН, в которых производится включение или выключение потока рециркулирующего газа (скорость потока равна QR):
Первая ступень QR1:
Вторая ступень QR2:
причем
РИС. 14П3.2. Эффективность управления биореактором для анаэробной переработки ила при перегрузке органическими отходами путем регулирования селективного поглощения отходящих газов. [Из работы: Graef S. Р., Andrews J. Р., Mathematical Modeling and Control of Anaerobic Digestion in Water-1973, Bennett G. F., (ed.) CEP Symp. Ser. No. 136, 76, 101 .(1974).]
Ha рис. 14П3.2 представлены результаты изучения отклика биореактора для анаэробной переработки ила (с регулированием скорости потока через скруббер по принципу обратной связи) в зависимости от органической перегрузки. Обратите внимание на то, что система с управлением без последствий переносит резкое повышение концентрации субстрата (питательных веществ) до 40 г/л; при отсутствии управления такой перегрузки более чем достаточно, чтобы вывести биореактор из строя, К сожалению, этот способ управления не может предотвратить нарушение режима работы биореактора при гидравлической перегрузке или при резком повышении концентрации токсичных веществ.
Все темы данного раздела:
Бейли Дж., Оллис Д.
Б 40 Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х час-
тях. Ч. 2. — М.: Мир, 1989. — 590 е., ил.
ISBN 5-03-001029-7
Фундаментальный труд, написанный известными амер
Проектирование и расчет биологических реакторов
Знание кинетики биологических превращений и процессов массопередачи (этим проблемам были посвящены гл. 7 и 8) необходимо для понимания основных принципов работы биологических реакто
Идеальные биореакторы
В разд. 7.1 мы познакомились с идеальными биореакторами с полным перемешиванием. Предполагается, что в таких реакторах перемешивание настолько эффективно, что концентрации биокатализаторов и услови
Реакторы периодического действия с добавлением субстрата
Часто в ходе микробиологического процесса возникает необходимость во введении в биореактор периодического действия потоков жидких веществ, например растворов предшественников синтез
Реакции в ПРПП, катализируемые ферментами
В зависимости от способа обеспечения ферментативной активности при осуществлении катализируемых ферментами реакций используются ПРПП различных конструкций (рис. 9.3). В проточном ре
Проточные реакторы с полным перемешиванием для культур клеток и пристеночный рост клеток
Для повышения выхода биомассы и продуктов жизнедеятельности организмов в единице объема реактора в единицу времени ПРПП можно снабдить сепаратором (гл. 11) и устройством для рециркуляции концентрир
Динамические модели
В основу изучения динамики процессов в ПРПП может быть положено уравнение материального баланса (7.4), преобразованное в соответствующее уравнение для нестационарного состояния:
Устойчивость
В этом разделе мы рассмотрим зависимость динамических характеристик системы в реакторе от функции f и ряда заданных значений параметров р. Для нас наибольший интере
Реакторы с неидеальным перемешиванием
Закончив изучение идеальных реакторов с полным перемешиванием или трубчатых реакторов полного вытеснения, которые можно воспроизвести в лабораторных мелкомасштабных экспериментах, р
Время выравнивания концентраций в реакторах с перемешиванием
Под временем выравнивания концентраций понимают время необходимое для достижения определенного уровня гомогенности содержимого реактора после импульсного введения индикатора в опред
Распределение времени пребывания
Попытаемся представить себе, что случится с небольшим объемом жидкости после его введения в проточный биореактор непрерывного действия. Благодаря перемешиванию этот малый объем буде
Модели неидеальных реакторов
Очевидно, РВП содержит полезную информацию о структуре течений и характере перемешивания содержимого реактора. Для оценки степени отклонения поведения реактора от идеального режима
Взаимосвязь между перемешиванием и биологическими превращениями
Характер течений и явления переноса влияют на кинетику клеточных процессов в различных масштабах. Так, эффекты, проявляюш,иеся при определенных масштабах длины (вспомните рис. 9.2),
Стерилизаторы
Жидкости, обычно водные растворы, можно стерилизовать несколькими методами, в том числе облучением (ультрафиолетовым или рентгеновским излучением), воздействием ультразвука, фильтро
Периодическая стерилизация
Изучение процессов стерилизации мы начнем с анализа закрытого сосуда с полным перемешиванием, содержаш,его суспензию клеток или спор. Жидкость должна стерилизоваться при нагревании,
Непрерывная стерилизация
На рис. 9.24 схематично изображены два основных типа непрерывных стерилизаторов. В первом из них (рис. 9.24, а) нагревание осуществляется путем введения струи пара, затем наг
Иммобилизованные биокатализаторы
Работа биологического реактора в основном определяется свойствами применяющихся биокатализаторов. Ранее мы обсуждали различные методы и способы использования ферментов, при помощи к
Применение биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток
Рассматривая примеры, иллюстрирующие степень сложности процессов катализа с участием иммобилизованных клеток, мы начнем с самого простого случая и постепенно будем переходить ко все
Превращение нерастворимых субстратов
Превращение нерастворимых субстратов типично для процессов утилизации крахмала и целлюлозы, модификации стероидов, а также для роста микроорганизмов на парафиновых углеводородах. В
Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора
Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их
Биореакторы типа барботажных колонн
Под биореакторами типа барботажных колонн мы подразумеваем реакторы с большим отношением высоты к диаметру,которые в отличие от реакторов с перемешиванием, обычно имеющих менее вытя
Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора
Процессы в псевдоожиженном слое катализатора обычно осуществляют в реакторах колонного типа, рассмотренных в предыдущем разделе, поэтому если такие процессы включают подачу или отво
Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости
Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора,
Технология микробиологических процессов
Для того чтобы получить некоторое представление о различных практических аспектах расчета и эксплуатации биореакторов, а также об осуществляемых в них процессах, рассмотрим ряд вопр
Подбор состава среды
При подборе необходимого для определенного микробиологического процесса состава среды следует принимать во внимание множество факторов. Один из них связан со стехиометрией клеточног
Проектирование типичного асептического аэробного микробиологического процесса и его ведение
Большинство промышленных микробиологических процессов имеют те или иные общие черты, однако на практике появляются существенно различающиеся проекты процессов и способы их ведения,
Биореакторы других типов
В табл. 9.13 перечислен ряд факторов, стимулировавших разработку новых типов и конструкций биореакторов. Многие из этих факторов сыграли свою роль при разработке компанией JCI чрезв
Особенности технологии процессов с участием растительных и животных клеток и соответствующих реакторов
В настоящее время культуры животных клеток используются для производства ряда ценных продуктов, в том числе вакцин, протеолитического фермента урокиназы, моноклональных антител и ин
Культивирование животных клеток; требования к среде
По сравнению с микроорганизмами для культивирования животных клеток требуются более сложные и дорогие среды. Обычно для предотвращения заражения в среду вводят антибиотики. В состав
Промышленные реакторы для крупномасштабных процессов с участием животных клеток
Все животные клетки по способности к росту в суспензии можно разделить на две группы. Так, клетки крови, лимфы, опухолевой ткани и многие трансформированные клетки могут расти в сус
Культивирование растительных клеток
Растительные ткани, выделенные из внутренних частей органов растений, после промывки и дезинфекции можно культивировать на агаре в соответствующей питательной среде.
Упражнения
9.1. Анализ ПРПП. а) Проверьте справедливость всех приведенных в табл. 9.1. уравнений, описывающих процессы в ПРПП.
б) Как с помощью соответствующих график
Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессами биохимической технологии
В предыдущих главах мы уже неоднократно имели возможность убедиться в том, что активность и полезное время жизни ферментного катализатора или популяции клеток непосредственно завися
Детекторы для определения физических свойств среды и газов
Из параметров, влияющих на жизнедеятельность клеток и экономичность биопроцесса, в ходе процесса можно непрерывно определять температуру, давление, мощность, расходуемую на перемеши
Детекторы для определения химического состава среды
В настоящее время разработаны электроды для определения рН, окислительно-восстановительного потенциала (Eh), парциального давления растворенного кислорода и СО
Газовый анализ
Концентрация СО2 в отходящих газах биореактора, содержащего культуру клеток, связана с дыхательной или иной ферментативной активностью клеток. Неудивительно, что этот пар
Детекторы для непрерывного контроля характеристик популяции клеток
К сожалению, в настоящее время имеется очень ограниченное число приборов, предназначенных для непрерывного контроля за поведением популяции клеток в биореакторе. Чаще всего возникае
Определение свойств среды
Первая стадия обработки пробы, отобранной из биореактора или аппарата, где происходит разделение продуктов, обычно заключается в отделении твердой фазы (клеток или любых других нера
Анализ состава популяции клеток
Методы анализа популяций клеток можно классифицировать примерно таким же образом, как и математические модели, описывающие кинетику роста культур клеток (вспомните тл. 7 и рис. 7.2)
ЭВМ и интерфейсы
Сочетание контрольно-измерительной аппаратуры с цифровыми ЭВМ выгодно в нескольких отношениях. Во-первых, ЭВМ может разносторонне усовершенствовать работу по сбору данных. Ст
Основные элементы цифровых ЭВМ
Основные блоки цифровой ЭВМ представлены на рис. 10.13. Центральный процессор принимает команды, передаваемые блоком управления в соответствии с заданной программой, и выполняет ука
Интерфейсы и периферийные устройства ЭВМ
Запоминающие, вычислительные и логические возможности ЭВМ останутся бесполезными, если она не соединена с каким-либо другим устройством или аппаратом. Такие соединения осуществляютс
Системы программного обеспечения
Под программным обеспечением подразумевается набор программ и команд, с помощью которых осуществляется управление работой ЭВМ, соответствующих интерфейсов и периферийных устр
Анализ данных
Хотя в настоящее время удается измерить лишь ограниченное число параметров системы в биореакторе, все же на основании этих параметров в сочетании с уравнениями общего материального
Сглаживание и интерполяция данных
Часто на результаты измерений накладывается шум. Кроме того, существенные флуктуации результатов измерений приводят к тому, что непосредственные показания прибора уже недостаточно т
Оценка параметров и состояния системы
Если накоплением кислорода в реакторе пренебречь, то уравнение материального баланса по кислороду для периодического процесса принимает форму
Непосредственное управление процессами
Если процесс осуществляется, например, в биореакторе, то часто возникает необходимость в регулировании рН, температуры, скорости аэрации и перемешивания, иногда также парциального д
Каскадное управление метаболизмом
Конечной задачей системы управления любым биореактором с культурой клеток является обеспечение таких условий, которые в конце концов способствуют максимальному использованию систем
Программированное управление процессами в биореакторах периодического действия
Обеспечить максимальный выход продукта в периодическом процессе с участием определенного штамма микроорганизмов можно только в том случае, если заранее известны те среда и условия,
Расчет и стратегия эксплуатации промышленных периодических процессов
Промышленный процесс состоит из ряда периодических операций (предварительной обработки субстрата, стерилизации, ферментации, выделения продукта, расфасовки). Разработка такого проце
Управление непрерывными процессами
При проведении непрерывных процессов возникают специфические проблемы регулирования и особые возможности применения прогрессивных методов управления. В непрерывномпроцессе система о
Упражнения
10.1. Аналитическая аппаратура. Дайте определение и кратко объясните принцип действия следующих аналитических приборов:
а) терморезистора, термопары, мембр
Отделение клеток и нерастворимых твердых материалов
Нерастворимые компоненты системы (от клеток до индивидуальных веществ) можно отделить от раствора, воспользовавшись особенностями их основных физико-химических свойств, например раз
Центрифугирование
Из культурального бульона биомассу можно выделить центрифугированием; таким методом иногда выделяют, например, дрожжи. На рис. 11.5 приведено схематическое изображение одного из тип
Седиментация
Если под влиянием многозарядных катионов или внеклеточных полимеров клетки легко образуют коагулирующие скопления или хлопья, то биомассу можно отделять седиментацией. Этот очень де
Перспективные методы выделения биомассы
Твердую фазу можно удалить из водной суспензии с помощью восходящего потока пузырьков воздуха, к которым прилипают нерастворимые твердые частицы. Такой метод (флотация) широк
Экстракция
Для экстракции необходимо наличие двух жидких фаз. При выделении антибиотиков применяют в основном экстракцию органическими растворителями из водной фазы, а для выделения белков нед
Сорбция
Под сорбцией понимают распределение растворенного вещества между жидкой и твердой (обычно пористым или обладающим большой поверхностью материалом) фазами. Одним из наиболее известны
Осаждение
Растворимость органических веществ зависит от температуры, рН, состава, иоииой силы и диэлектрической проницаемости растворителя. Осаждение можно индуцировать различными способами;
Кинетика образования осадка
Осаждение белка происходит в том случае, когда в результате изменения тех или иных условий его растворимость падает ниже существующей концентрации белка (или комплекса белок—реагент
Обратный осмос
Если раствор какого-либо вещества и чистый растворитель разделить мембраной, непроницаемой для растворенного вещества, но проницаемой для растворителя, то растворитель будет диффунд
Ультрафильтрация
Если средний диаметр пор мембраны превышает размер пор в процессе обратного осмоса, то через мембрану проникают все вещества с диаметром молекул 1 —10 Ậ, а белки и другие высо
Электрофорез
Электрофорезом называют разделение веществ благодаря различной скорости их перемещения в электрическом поле. Постоянная скорость uE, достигаемая частицей с зарядом
Последовательность операций выделения продуктов процессов биохимической технологии
В этом разделе мы изучим последовательность операций выделения и очистки продуктов биопроцессов и приведем несколько примеров таких типичных для биохимической технологии последовате
Выделение ферментов в промышленных процессах
Ферменты выделяют в виде неочищенных сухих препаратов, разбавленных или концентрированных растворов или высокоочищенных (иногда даже перекристаллизованных) твердых веществ. На рис.
Выделение антибиотиков
Антибиотики выделяют или в виде сравнительно неочищенных препаратов (примером может служить натриевая соль пенициллина; см. рис. 11.42) или в виде высокоочищенных веществ (например,
Выделение этанола
РИС. 11.43. Выделение органических кислот. Приведена схема производства лимонной кислоты в периодическом р
Выделение белка одноклеточных организмов
При выделении биомассы, являющейся главным, а не побочным (как, например, при производстве глутаминовой кислоты или антибиотиков) продуктом производства, применяют очень простые опе
Упражнения
11.1. Осаждение биомассы. а) Вычислите кажущийся размер изолированных частиц, если известны их плотности (ρ) н скорости осаждения (us):
Экономика процессов биохимической технологии
В этой главе мы рассмотрим роль экономических факторов в изучении, внедрении и эксплуатации процессов биохимической технологии. В первом разделе описаны основные этапы разработки пр
Контроль за качеством продукции биохимической технологии
Вмешательство правительственных организаций в контроль за качеством продукции биотехнологии обусловлено установленной законодательными актами ответственностью этих организаций за зд
Общий экономический анализ процессов биохимической технологии
Несмотря на то, что между отдельными биотехнологическими процессами с участием культур микроорганизмов имеются существенные различия, любой проект сначала удобнее всего рассматриват
Экономический анализ биопроцесса
В качестве примера рассмотрим среднемасштабный микробиологический процесс производства гипотетического вещества (антимикробного агента, предназначенного для использования в сельском
Химические продукты тонких биотехнологических процессов
К химическим продуктам тонкой биотехнологии относят довольно обширную группу ценных продуктов биохимической технологии (витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков, моноклон
Производство белков с помощью рекомбинантных ДНК
Технология рекомбинантных ДНК в организмах Е. coli позволила разработать методы промышленного производства инсулина (1979 г.), гормона роста (1981 г.) и лейкоцитарного интерф
Антибиотики
Продукты вторичного метаболизма микроорганизмов, ингибирующие рост других микроорганизмов даже в низких концентрациях, называются антибиотиками. Антибиотики применяют в качестве ант
Витамины, алкалоиды, нуклеозиды, стероиды
Микроорганизмы продуцируют не только белки (ферменты) и антибиотики, но и многие другие сложные метаболиты. Промышленный интерес представляют несколько процессов такого типа, успешн
Моноклональные антитела
Когда чужеродное вещество (антиген) попадает в организм животного, например мыши, то часто иммунная система узнает его и вырабатывает специфические антитела, которые селектив
Кислородсодержащие химические продукты массового производства
Для крупномасштабного производства кислородсодержащих химических продуктов применяются как анаэробные, так и аэробные процессы. Сначала рассмотрим состояние экономики традиционного
Пивоварение и виноделие
Производство пива может служить хорошей иллюстрацией ряда рассмотренных выше общих технологических принципов ферментативных процессов. Сначала ячмень инкубируют при определенных тем
Производство спирта в качестве топлива
Производство этанола в качестве топлива привлекло широкое внимание в последние десятилетия; впрочем, в Европе в годы, предшествовавшие второй мировой войне, в сравнительно широких м
Производство органических кислот и аминокислот
Производство органических кислот может служить показательным примером того влияния, которое оказывает выход процесса на его экономику. Капитальные затраты на цех ферментации при пол
Белок одноклеточных организмов
Белок одноклеточных организмов (БОО) — это содержащие белок материалы, представляющие собой высушенные клетки микроорганизмов. В качестве добавок к пищевым продуктам или кормам для
Анаэробные процессы производства метана
Широко изучались анаэробные процессы превращения субстратов углеводно-целлюлозной природы (особенно отходов сельскохозяйственных производств) в биогаз (метан), который обычно содерж
Упражнения
12.1. Этапы реализации процесса. Дайте определение (по памяти) следующим этапам реализации процесса: идея его создания, предварительная оценка, разработка окончател
Изучение взаимодействий в смешанных популяциях микроорганизмов
Во всех предыдущих главах основное внимание мы уделили системам, в которых доминирует один тип микроорганизмов, и практически не касались чрезвычайно разнообразных и очень широко ра
Нейтрализм, мутуализм, комменсализм и аменсализм
В случае смешанных культур, состоящих из двух штаммов микроорганизмов, нейтрализм и мутуализм представляют собой предельные варианты взаимодействий. Под нейтрализмом понимают
Анализ межвидовой конкуренции по Вольтерра
Известный итальянский математик Вито Вольтерра, выяснивший многие принципы математической экологии, изучал рост двух конкурирующих организмов в изолированной системе. В нелинейной м
Конкуренция и отбор в хемостате
Теперь рассмотрим роль конкуренции в открытых системах, например, в хемостате. Если допустить, что удельная скорость роста μi вида і постоянна, то дина
Хищничество и паразитизм
В случае хищничества и паразитизма один вид получает определенные преимущества за счет другого вида. Различия между этими двумя типами межвидовых взаимодействий заключаются в относи
Описание колебаний численности видов в системе хищник — жертва с помощью модели Лотки — Вольтерры
Математическую модель взаимодействия типа хищник — жертва, приводящего к таким циклическим изменениям, разработали Лотка и Вольтерра в конце 1920-х годов [8]. В этой модели принимае
Применение модели Лотки — Вольтерры к системам, состоящим из многих видовvb
Экологов интересует изучение взаимосвязей между степенью сложности системы и ее динамическим поведением. В частности, очень большой интерес представляют ответы на вопрос, будет ли с
Другие модели системы один вид хищников — один вид жертв
Работа Лотки и Вольтерры послужила стимулом для целого ряда исследований, в результате которых были предложены усовершенствованные варианты модели. Один из недостатков модели Лотки
Изучение динамики популяций с помощью моделей в форме закона действующих масс
В оставшейся части раздела 13.5 мы рассмотрим некоторые теоретические методы анализа и изучения сложных взаимодействующих популяций. Следует подчеркнуть, что большинство рассматрива
Качественная устойчивость
В предыдущем разделе мы рассмотрели некоторые из самых эффективных теоретических методов анализа нелинейныхмоделей процессов. В конце изучения влияния масштаба экосистемы и степени
Устойчивость сложных неупорядоченных пищевых сетей
В этом разделе будут рассмотрены некоторые интереснейшие работы Гарднера и Эшби*, Мэя [5] и Макмертри**, посвященные изучению взаимосвязей между устойчивостью, размером и сложностью
Бифуркации и усложненная динамика
Один из способов изучения стационарных состояний и динамики сложных систем с множеством взаимодействующих видов связан с анализом изменений, индуцированных плавным сдвигом одного из
Расположение популяций в пространстве
До сих пор мы принимали, что все популяции распределены в изучаемом объеме (пространстве) системы равномерно или такое распределение обеспечивается эффективным перемешиванием. Допущ
Смешанные популяции микроорганизмов в естественных системах и промышленных процессах
Смешанные популяции микроорганизмов играли важную роль уже в период возникновения жизни на земле. Позднее различные виды микроорганизмов выполняли важные функции в биосфере и ее эво
Применение смешанных культур определенного состава
Самым наглядным примером использования смешанных культур определенного видового состава является сыроделие. Гастрономическая сторона этих процессов известна каждому, но далеко не вс
Естественные смешанные популяции микроорганизмов и их роль в производстве и порче продуктов
Теперь перейдем к изучению процессов, в которых посевной материал поступает из естественных источников. При этом условии природа доминирующих видов определяется в основном составом
Участие микроорганизмов в естественных кругооборотах веществ
Большая часть рассмотренных нами выше примеров применения микроорганизмов так или иначе была связана с процессами, осуществляемыми и контролируемыми человеком. В связи с возрастающе
Кругооборот необходимых для жизни химических элементов
Кругооборот биологически важных химических элементов часто сопровождается циклическими изменениями степени их окисления. Это обстоятельство немаловажно, поскольку мы уже знаем, что
Взаимосвязи микроорганизмов в почве и некоторых других естественных экосистемах
Почва представляет собой сложную систему переменного состава, являющуюся отличной сферой обитания для микроорганизмов. Она состоит из тонкоизмельченных минералов (в основном алюмоси
Биологическая очистка сточных вод
В сточных водах содержится сложная смесь твердых и растворенных веществ, причем последние обычно присутствуют в очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех эти
Основные характеристики сточных вод
Понятно, что природа и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах зависят от их источника. Существуют два основных вида сточных вод—промышленные и бытовые. Последние загрязне
Процессы с участием активного ила
В процессах с участием активного ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический реактор. Как показано на рис. 14.10, этот аэробный реактор (аэротенк) св
Проектирование и моделирование процессов с участием активного ила
Хотя стоимость водоочистных станций большого города превышает 100 млн. долл., входящие в состав этих станций биологические реакторы обычно проектируют с помощью чрезвычайно упрощенн
Аэробная обработка ила
Активный ил с большим содержанием бнопродуктов, образующийся в рассмотренных выше процессах, часто подвергают еще одной операции аэробной обработки; фактически она повторяет описанн
Нитрификация
В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе подвергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсодержащие органические вещества. Из последних при биологич
Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров
В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные биологические фильтры. В биоло
Анаэробная денитрификация
В анаэробных условиях многие бактерии, которые могут утилизировать органические вещества и использовать нитрат и нитрит в качестве акцепторов электронов, восстанавливают азотсодержа
Отделение фосфорсодержащих соединений
В необработанных сточных водах фосфор обычно содержится в концентрации около 10 мг/л в виде ортофосфата, дегидратированного ортофосфата (полифосфата) и органических фосфорсодержащих
Упражнения
14.1. Проектирование процессов нитрификации. а) Какова величина БПК очищенной воды, если возраст ила определяли по заданной концентрации аммиака после очистки, т. е
Новости и инфо для студентов