Превращение нерастворимых субстратов

 

Превращение нерастворимых субстратов типично для процессов утилизации крахмала и целлюлозы, модификации стероидов, а также для роста микроорганизмов на парафиновых углеводородах. В таких случаях мы прежде всего должны установить (или принять допущение), где происходит реакция: или на границе раздела фаз, или в жидкой фазе с участием очень небольшого количества растворенного субстрата. Иногда могут реализоваться оба варианта одновременно. Так, например, частицы целлюлозы при трансформации сначала взаимодействуют с адсорбированными целлюлазными ферментами, а далее глюкоза утилизируется микроорганизмами в растворе. В случае нерастворимых субстратов важнейшим параметром системы является площадь межфазной поверхности, отнесенная к единице объема реактора; в свою очередь этот параметр иногда зависит от способа предварительной обработки субстрата, а чаще всего непосредственно связан с режимом работы реактора. Приведенный ниже пример роста микроорганизмов на нерастворимом источнике углерода наглядно иллюстрирует различные факторы, которые необходимо учитывать при анализе, расчете и эксплуатации реакторов с такими системами.

 

Пример 9.2. Расчет ПРПП для микробиологической переработки жидких углеводородов*.

* Из статьи; Moo-Young М., Microbial Reactor Design for Synthetic ProteinProduction; Can. J. Chem. Eng., 53, 113 (1975)

Некоторые микроорганизмы, например дрожжи Candida lypolytica, могут расти на практически нерастворимых в воде додекане и других парафиновых углеводородах. Для роста микроорганизмов на границе раздела углеводородная — водная фаза предложены два альтернативных механизма. Во-первых, если характерный диаметр клеток D_c значительно меньше диаметра D_h диспергированных капель углеводорода, то клетки могут концентрироваться вблизи капель. С другой стороны, если D_h<<D_c, то можно допустить, что капельки углеводорода будут адсорбироваться на наружных поверхностях относительно больших микроорганизмов.

В заключительной части разд. 8.4 мы указывали, что при микробиологической трансформации углеводородов с аэрацией в ходе периодического процесса меняются соотношения между адсорбцией и флокуляцией в системе воздушные пузырьки — клетки — углеводородные капли. Можно ожидать, однако, что в проточном процессе будет преобладать один определенный тип клеточного роста и одна соответствующая структура системы пузырек — клетка — углеводород; это облегчит количественное описание процесса.

Му-Янг и сотрудники изучили обе ситуации и предложили следующее модифицированное уравнение Моно, учитывающее фактор доступности поверхности раздела фаз:

Вариант I; D_c<<D_h

(9П2.1)

Вариант II; D_c>>D_h

(9П2.2)

Здесь K_s’ и K_s’’ — модифицированные константы K_s. Как показано на рис. 9П2.1, экспериментальные данные для системы С. lipolytica — додекан (изображенные в координатах Лайнуивера — Бэрка) свидетельствуют в пользу второго гипотетического механизма.

Уравнения, пригодные для расчета ПРПП, можно получить, связав мощность, расходуемую перемешивающим устройством, с размером диспергированных капелек углеводорода (гл. 8). Если диаметр D_h капель углеводородного субстрата определяется напряжением сдвига в области, прилегающей к концам лопасти мешалки, то уравнения, приведенные в примере 8.2, показывают, что

(9П2.3)

Найдено, что это уравнение удовлетворяет опытным данным описываемого эксперимента при С=0,023. Подстановка этого выражения в уравнение (9П2.2) дает

(9П2.4)

Если описываемую уравнением (9П2.4) удельную скорость клеточного роста отнести к процессу в идеальном ПРПП, то при постоянстве экономического коэффициента и стерильности питательных веществ получим

(9П2.5)

Скорость разведения, отвечающая максимальной скорости роста биомассы, будет определяться уравнением;

(9П2.6)

На рис. 9П2.2 представлены зависимости скорости образования биомассы Dx от скорости разведения D, рассчитанные по уравнению (9П2.5). Эти графики, как и уравнения (9П2.5) и (9П2.6), наглядно демонстрируют важность учета взаимосвязи между биологическими реакциями и гидродинамическими характеристиками при расчете и анализе микробиологических реакторов.

РИС. 9П2.І. Результаты экспериментального определения скорости роста дрожжей С. Upolytica на додекане (в двойных обратных координатах) согласуются с моделью, в которой принимается, что микрокапли углеводорода адсорбируются на поверхности клеток. [Из статьи: Moo-Young М., Microbial Reactor Design for Synthetic Protein Production; Can. J. Chem. Eng., 53, 113 (1975).]

 

Хотя для периодического процесса типично изменение характера адсорбционных явлений (см. разд. 8.4 и рис. 8.14), модель, в которой принимается, что клетки С. Upolytica, растущие на углеводородных каплях, непрерывно адсорбируются на их поверхности, образуя монослой, в некоторой степени согласуется с результатами экспериментального изучения периодического процесса. [См. работу; Erickson L. Е., Humphrey А. Е.. Ргокор А., Growth Models of Cultures with Two Liquid Phases. I. Substrate Dissolved in Dispersed Phase; Biotech. Bioeng., 11, 449 (1969).]

РИС. 9П2.2. Зависимость скорости образования биомассы в процессе ферментации жидкого углеводорода от скорости разведения и расхода мощности на перемешивание, отнесенного к единице объема (P/V), л. с./м³