Упражнения - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
9.1. Анализ Прпп. А) Проверьте Справедливост...
9.1. Анализ ПРПП. а) Проверьте справедливость всех приведенных в табл. 9.1. уравнений, описывающих процессы в ПРПП.
б) Как с помощью соответствующих графиков можно определить все параметры, входящие в уравнения скоростей реакций в ПРПП (табл. 9.1)?
9.2. Анализ ТРПВ. а) Проверьте справедливость приведенных в табл. 9.2 выражений путем их интегрирования.
б) Какие переменные удобнее применять в каждом из уравнений для ТРПВ? Начертите графики, по которым можно определить каждый кинетический параметр в уравнении скорости реакции.
в) Параметры какой модели — ПРПП или ТРПВ — в общем случае легче поддаются определению? Почему?
9.3. Производство белка одноклеточных организмов. Экспериментально определены следующие значения параметров кинетики роста Methylomonos methanolica на метаноле при 30 °С и рН 6: μmax = 0,53 ч-1; Ys (экономический коэффициент по метанолу) =0,48 г/г; YO2=0,53 г/г; эффективность утилизации углерода (cбиомасса/cметанол) =0,57 г/г; кислородный коэффицивнт — 0,90 молей О2 на моль СН3ОН; дыхательный коэффициент (RQ)=0,52 моль СО2 на моль О2; коэффициент поддержания m = 0,35 г СН3ОН/г; Ks = 2,0 мг/л[Dostolek М., Моііп N., Studies of Biomass Production of Methanol Oxidizing Bacteria, p. 385 in Single Cell Protein II, Tannenbaum S. R., Wang D. I. C. (eds.), MIT Press, Cambridge, Mass., 1975]. Приведенные выше экономические коэффициенты отвечают скорости разведения 0,52 ч-1.
а) Запишите уравнения, описывающие зависимости скоростей образования клеточной массы, поглощения кислорода и образования СО2 от скорости разведения в ПРПП.
б) Постройте графики зависимостей х, xD и s от D (ч-1) и определите максимальные значения х и xD при концентрации метанола в питательной среде s=7,96 г/л.
в) На том же чертеже постройте график зависимости скорости потребления кислорода от D. Определите расходуемую на перемешивание мощность (в расчете на единицу объема), которая обеспечивает максимальную продуктивность системы (xD)max. Сформулируйте принятые допущения.
г) На том же чертеже постройте график зависимости расчетной скорости выделения теплоты в единице объема от D.
д) Показано, что удельная скорость роста μ, линейно зависит от концентрации субстрата и снижается от 0,53 ч-1 при s = 3 г/л до нуля при s=13 г/л (последняя величина найдена путем экстраполяции). Повторите решение задачи 9.3. б с учетом указанных данных.
е) При каких условиях на выходе каскад реакторов выгоднее, чем один реактор того же объема?
9.4. Стерилизация жидкостей. Составьте уравнение, позволяющее определить вероятность достижения полной стерильности (n<1,0) в непрерывном стерилизаторе, работающем в режиме полного вытеснения при следующих параметрах; удельная скорость гибели клеток 10 мин-1; объем стерилизатора 10 л; средняя скорость потока 10 л/мин; температура среды 131 °C; время сбора 5 мин; начальная концентрация клеток n0=103 л-1. Как, по вашему мнению, изменится вероятность достижения полной стерильности, если при тех же указанных переменных стерилизатор будет короче и шире? Поясните ваш ответ и приведите соответствующие уравнения.
9.5. Клеточный рост при непостоянном экономическом коэффициенте.Выведите уравнения для зависимостей x(D) и s(D). аналогичные уравнениям (7,14) и (7.15), если Y определяется уравнением (7.26).
9.6. Микробиологический процесс в реакторе с перемешиванием в присутствии инертного носителя. Предположим, что питательный раствор содержит суспендированные инертные частицы, а также субстрат для анаэробной ферментации, Перемешивание обеспечивает полное диспергирование частиц. Распределение микроорганизмов (одного штамма) между частицами и жидкой фазой описывается уравнением:
xs(клеток/см2) = Kxжидкая фаза(клеток/мл)
где K имеет размерность мл/см2. Адсорбция не изменяет максимальной удельной скорости роста μmax, но влияет на Ks (будем считать, что рост клеток описывается уравнением Моно).
а) Приняв диаметр частиц равным 0,1 мм, а их объемную долю равной 1%, определите во всем доступном диапазоне скоростей разведения, во-первых, отношение скорости утилизации субстрата в присутствии инертных частиц к скорости утилизации субстрата в их отсутствие и, во-вторых, влияние суспендированных частиц на скорость разведения, отвечающую началу вымывания.
б) Предложите конструкцию устройства для регенерации клеток на выходе из реактора, которое бы обеспечивало максимальный выход биомассы.
9.7. Метод быстрого определения Ks. Уилльямсон и Мак-Карти [Williamson, McCarty, А Rapid Measurement of Monod Half Velociity Coefficients for Bacterial Kinetics; Biotech. Bioeng., 17, 915 (1975)] разработали метод относительно быстрого определения Ks — константы в уравнениях, описывающих кинетику микробиологических процессов. В этом методе в микробиологический реактор постепенно вводят концентрированный раствор питательных веществ в таком количестве, чтобы общий объем смеси существенно не увеличивался в течение нескольких часов. Если величина s такова, что скорость утилизации субстрата клетки ниже максимально возможной (μmaxV/Y), то стационарное состояние достигается менее чем за 1 ч.
а) Покажите, что с помощью графической зависимости типа графика Лайнуивера —·Бэрка (зависимости обратной скорости клеточного роста от обратной концентрации субстрата в «стационарном состоянии») можно определить Ks.
б) В каком диапазоне времени отбора проб применим указанный метод?
9.8. Реактор периодического действия с добавлением субстрата. а) Взяв за основу уравнение (9.4), выведите общее уравнение, описывающее зависимость x от t, если при μ = μmax клетки находятся в экспоненциальной фазе роста.
б) При каких условиях параметр х будет возрастать, уменьшаться или оставаться постоянным?
в) Найдите выражения, описывающие х при t<t1, при t1<t<t2 и при сколь угодно большом t, если концентрация питательных веществ F изменяется во времени следующим образом; F=F0при t0<t<t1, F=0 при t1<t<t2, F=F0 при t2<t<t3 и т. д.
г) Пусть удельная скорость роста штамма микроорганизмов, утилизирующих метанол, описывается уравнением (7.32) (т. е. уравнением Моно плюс выражение, учитывающее субстратное ингибирование). Объясните, почему периодический процесс с добавлением субстрата дает лучшие результаты по сравнению с периодическим процессом с введением всего метанола в начале процесса.
9.9. Последовательная утилизация субстратов. Как упоминалось в тексте настоящей главы, при наличии нескольких субстратов характер их утилизации в каскаде реакторов или реакторе башенного типа может быть весьма сложным, Рассмотрим очень простую модель диауксии, т. е. роста клеток на двух субстратах, одним из которых является глюкоза (G), а вторым — другой углевод (S), так что
a) Если, как обычно, глюкоза играет роль репрессора, то следует ожидать, что μs≤μG и KS≈KG>>KR. Нарисуйте графики зависимостей g, s и lnx от времени в периодическом процессе; укажите взаимосвязь между изменением концентрации биомассы и двух субстратов G и S. [Считайте, что (g0, s0)>>(KS, KG).]
б) Какой реактор лучше применять — реактор полного вытеснения, каскад хемостатов или один хемостат, — если целью микробиологического процесса с участием двух субстратов является их полная утилизация?
в) Поскольку KR<<KG, KS, то уравнение клеточного роста можно значительно упростить, получив в конечном итоге два выражения для g>KR и KR>g≈0. Выведите упрощенное уравнение, описывающее процесс в потоке полного вытеснения, и путем интегрирования найдите зависимости x(z), g(z),и s(z).
г) Начертите графики зависимостей, найденных в предыдущем упражнении, при следующих значениях параметров: μ=1 ч-1 = 1,1 μs, KG = KS = 10 ммоль, KR = 0,1 ммоль, x0=0,1 г/л, YG = YS = 0,5 g0=s0=0,l ммоль, а отношение μ0/L (отношение скорости потока к длине реактора) равно 1, 3 или 5 ч-1.
д) В вертикальных ферментерах башенного типа микроорганизмы могут образовывать медленно осаждающиеся скопления. Как модифицировать простое уравнение, найденное при решении упражнения 9.9, б, чтобы оно учитывало и осаждение клеток со средней скоростью uc (uc>u0)? (Результирующая скорость осаждения клеток равна uc-u0.)
9.10. Расчет хемостата на основе данных для периодического процесса. Уравнения материального баланса по компоненту C в реакторе периодического действия (или в реакторе полного вытеснения) и в хемостате (в ПРПП) можно записать в следующей форме:
Периодический процесс (или реактор полного вытеснения) (I)
Процесс в хемостате (в стационарном состоянии) (II)
Поскольку зависимость f(с), согласно уравнению (I), можно найти дифференцированием, то график зависимости f от с можно построить по результатам изучения периодического процесса. С другой стороны, уравнение (II) показывает, что график зависимости D(c - с0) от с будет пересекаться с кривой зависимости f(c) от с при с*, отвечающем решению уравнения (II). [Этот метод, позволяющий найти с* для любого заданного D, применим только в том случае, если процесс ферментации описывается одной переменной, например с; он описан в статье; Luedeking R., Piret Е. L., Transient and Steady States in Continuous Fermentation; Theory and Experiment; J. Biochem, Microbiol. Technol. Eng., 1, 431 (1959).] В этой статье приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных, иллюстрирующие потенциальные возможности метода:
а) Рассмотрим логистическое уравнение dx/dt = μx(1—x/xmax). Описанным выше графическим методом определите х* при μ=1 ч-1, xmax=10 г/л и x0 (в исходных веществах) равном нулю, если скорость разведения D составляет 1,5, 0,75 или 0,25 ч-1. Проверьте правильность полученных вами результатов прямым аналитическим решением.
б) В каскаде ферментеров продукты, полученные в одном реакторе, являются исходными веществами для следующего реактора. Как графически определить x3* (концентрацию биомассы в последнем реакторе каскада, состоящего из трех ПРПП) при общей скорости разведения D=0,75ч-1?
в) Внимательно изучите данные, относящиеся к росту культуры на двух субстратах (рис. 7.14). Путем дифференцирования найдите зависимость dx/dt от х и начертите график этой зависимости. Чем этот график отличается от кривой простого логистического уравнения?
РИС. 9У11.1. Зависимость степени превращения субстрата (О) и высоты псевдоожиженного слоя (+) от объемной скорости потока. На кривых указана молярная концентрация субстрата в исходнойсмеси. [Из статьи; Gelf G., Boudrant J., Enzymes Immobilized on a Magnetic Support; Biochim, Biophys. Acta, 334, 468 (1974).]
С помощью описанного метода решите задачу (графическим путем) о ходе процесса в каскаде из 5 реакторов, в котором потребляется вся глюкоза и большая часть второго углевода.
9.11. Иммобилизованные ферменты в псевдоожиженном слое. а) Чинлой (Chinloy, PhD thesis, Princeton University, 1976) изучал зависимость степени превращения субстрата от обратной объемной скорости потока θ-1 (выраженной в миллилитрах на грамм частиц катализатора в секунду) в неподвижном и псевдоожиженном слоях протеазы, иммобилизованной на непористых частицах из нержавеющей стали. И в первом, и во втором случае эту зависимость можно изобразить одной н той же прямой линией, проходящей через начало координат. Допустим, что s0>>Km] покажите, что в этом случае на степень превращения субстрата не влияет массоперенос и что константу удельной скорости процесса можно определить непосредственно по указанной зависимости, если известно количество фермента, адсорбированного на частицах катализатора (миллиграммов Е в грамме катализатора).
б) Джелф и Боудрант [Gelf, Boudrant, Preliminary Study of a Fluidized Bed Enzyme Reactor; Biochim. Biophys. Acta, 334, 467 (1974)] изучали гидролиз этилового эфира бензоиларгинина (ЭЭБА) папаином, иммобилизованным на пористых частицах диаметром 170—250 мкм. Для указанной реакции сообщались следующие значения параметров; для растворимого папаина Km=5·10-3 М, vmax=19 межд. ед. (мкмолей ЭЭБА/(мин·мг) при рН 6,0 и 20°С); для иммобилизованного папаина Km=1,2-10-2 М (кажущаяся величина), vmax = 0,05 межд. ед. (мкмолей ЭЭБА/(мин·мг носителя)). Пористый носитель в данном случае состоял в основном из частиц оксида железа. По приведенным на рис. 9У11.1 данным определите, какое сопротивление массопереносу — внешнее или внутреннее—играло в этом случае основную роль. Укажите, какие допущения вы приняли. В псевдоожиженном слое содержалось 10 г катализатора, который получали из 100 мг кристаллического папаина и 30 г оксида железа.
в) Обсудите, как вы стали бы рассчитывать реактор с псевдоожиженным слоем иммобилизованной протеазы, предназначенный для гидролиза 1) ЭЭБА, 2) казеина, 3) частиц желатины диаметром 1 мкм.
9.12. Оптически чистые аминокислоты. Тоса и Др. [Tosa et ai, Studies on Continuous Enzyme Reactors II. Preparation of DEAE-Cellulose Aminoacylase Columns and Continuous Optical Resolution of Acetyl-d,l-methionine; Enzymologia, 31, 225 (1966)] разработали процесс, схема которого изображена на рис. 9У12.1. На время допустим, что vmax не зависит от рН. В этом процессе исходная рацемическая аминокислота ацетилируется уксусным ангидридом, а в колонне с L-аминоацилазой идет обратная реакция, в результате которой образуется свободная L-аминокислота, очищаемая перекристаллизацией из водного спирта.
а) Допустим, что начальная концентрация аминокислоты намного больше Km. Найдите уравнения, описывающие гидролиз ацетил-L-аминокислоты под действием фермента в колонне в режиме полного вытеснения, а также при наличии осевой дисперсии.
РИС. 9У12.1. Каталитическое разделение рацемических аминокислот. [Изстатьи: Tosa Т., Mori Т., Fuse N., Shibata I., Enzymologia, 31, 225 (1966).]
б) Можно принять, что реакция рацемизации обратима и имеет первый порядок, так что ее скорость пропорциональна cDa – c*Da, где c*Da — концентрация ацетил-D-аминокислоты в растворе при равновесии. Какой объем должен иметь ПРПП, в котором осуществляется рацемизация, если заданная степень приближения к равновесию равна 95% и если с продуктами из системы выводится 90% L-аминокислоты, 1% ацетил-D-аминокислоты и 10% водной фазы?
в) При ферментативном деацетилировании выделяется уксусная кислота. Если процесс инактивации фермента имеет pK1 = 5 и pK2 = 8, то при каком рН превращение ацетил-DL-аминокислоты в 10-6, 10-4 и в 10-1 М растворах будет максимальным? (Примите, что процесс происходит в реакторе полного вытеснения.) Четко сформулируйте принятые допущения.
9.13. Превращение нерастворимых субстратов. Для выращивания культуры дрожжей на газетной бумаге в качестве нерастворимого субстрата была предложена следующая последовательность операций: механическое измельчение субстрата, его кислотный гидролиз, нейтрализация среды, введение небольшого количества других питательных веществ, необходимых для роста дрожжей, рост дрожжей в аэробном процессе, фильтрование под вакуумом для отделения жидкой фазы от биомассы.
а) Нарисуйте технологическую схему указанного процесса, на которой стрелками укажите места введения компонентов, а кружками выделите отдельные типовые операции. При необходимости укажите также расположение транспортеров для подачи твердых веществ и насосов для подачи жидкостей.
б) Нарисуйте аналогичную схему процесса переваривания пищи в организме человека, взяв за основу любой учебник по физиологии человека.
в) Бионика — это наука об изучении природных систем с целью разработки искусственных аналогов. Обсудите сходство и различие между процессами, оппсанными в упражнениях 9.13, а и 9.13,6. Предложите схему устройства для обработки твердых веществ (упражнение 9.13, а), воспользовавшись принципом подачи «транспортером» из упражнения 9.13, б.
9.14. Поддержание жизнедеятельности клеток; вымывание при небольших S. Для достижения нетривиального стационарного состояния популяций некоторых микроорганизмов субстрат может потребоваться в минимальной концентрации. Рассмотрим, например, систему, в которой кинетика клеточного роста описывается уравнениями:
Допустим, что к этой системе применим аналитический подход, описанный в упражнении 9.10.
а) Покажите, что при концентрации субстрата ниже keKs/(μmax—ke) единственное стационарное состояние в ПРПП достигается при х=0.
б) Постройте график зависимости dx/dt от х (для периодического процесса) при μmax = 0,5 ч-1, Ks=0,2 г/л, ke=0,l ч-1, Ys==0,6 г клеток/г субстрата; аналитическим решением указанных уравнений покажите, что для соответствующего непрерывного процесса dx/dt=0 при малых величинах s и при D>Dвымывания.
в) Определите устойчивость каждого стационарного состояния по отношению к небольшим возмущениям.
9.15. Ферментация сыворотки. Показано, что процесс превращения содержащейся в сыворотке лактозы в молочную кислоту в присутствии Lactobacillит bulgaricus при 44 °С и рН 5,6 можно описать уравнением Льюдикина — Пайрета [уравнение (7.93)], если его модифицировать следующим образом:
а) Напишите уравнения, описывающие изменение s, х и р в непрерывном процессе.
б) Покажите, что в стационарном состоянии при общем времени удерживания 15 ч субстрат превращается полнее в каскаде из двух реакторов, однако дальнейшее увеличение числа реакторов практически не влияет на степень превращения субстрата. Относится ли этот вывод и к урожаю биомассы? (Рассмотрите вариант, когда s0=5,0%, x0=p0=0.)
в) Келлер и Герхардт[Keller, Gerhardt, Continuous Lactic Acid Fermentation of Whey to Produce a Ruminant Feed Supplement High in Grade Protein; Biotech. Bioeng., 17, 997 (1975)] отмечали, что при s0 меньше 5% ингибирование продуктом процесса не слишком велико, и поэтому, по их мнению, «...с практической точки зрения... сыворотку сыра чеддер (4,9% лактозы,·0,2% молочной кислоты) можно с удовлетворительным результатом ферментировать в одностадийном ферментере, тогда как при получении сыра коттедж (5,8% лактозы, 0,7% молочной кислоты) этот процесс выгоднее осуществлять в каскаде из двух ферментеров». Оцените количественно преимущества системы из двух ферментеров для переработки сыворотки сыра коттедж, повторив фешение упражнения 9.15,6 при so=5,8%, ро=0,7%.
г) Эти исследователи отмечали также, что добавление сахара может привести к снижению количества воды, которое нужно удалить для получения определенного количества продукта. Как эта операция (добавление сахара) отразится на общей схеме реактора?
ENGINEERING... FUNDAMENTALS... Second Edition James E Bailey...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Упражнения
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
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
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
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
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
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
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
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
Культивирование растительных клеток
Растительные ткани, выделенные из внутренних частей органов растений, после промывки и дезинфекции можно культивировать на агаре в соответствующей питательной среде.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(I)
(II)
Новости и инфо для студентов