Массообмен в процессах биосинтеза

Массообмен — критерий оценки скорости поступления каких-либо веществ из газообразной фазы в жидкость и из жидкости в клетку. Чаще всего этот процесс массобмена рассчитывают по кислороду или по углекислому газу.

Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.

Скорость процесса [в кг/(мг *с)] равна движущей силе Д, деленной на сопротивление R:

массообмен микроорганизм кислород.

dAf/dF = Д/А, где, А — количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF-поверхность контакта фаз.

Размерность коэффициента массопередачи: т. е. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз. А, исходя из этой поверхности, — размеров массообменных аппаратов. В интегральной форме уравнение массопередачи, записанное относительно величины F, примет следующий вид:

F = М&КА).

Обычно величина К является функцией многих переменных, и единого уравнения для определения значения К нет.

При анализе массообменных процессов будем исходить из условия состояния границы контакта фаз, что существенно различает механизмы процессов переноса массы. По этому принципу массообменные процессы подразделяют на массопередачу в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкостьжидкость), массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ—твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело) и массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).

Для многих биологических агентов — микроорганизмов — необходим кислород. Он обычно плохо растворяется в воде и растворах. Растворимость его составляет обычно в питательных средах не более 4−7 мг/л (в чистой воде составляет 8,1 мг/л). Такое количество кислорода обеспечивает потребность микроорганизмов в нем в течение только нескольких минут, поэтому необходима аэрация. При аэрации происходит непрерывный транспорт кислорода из газовой фазы в жидкость, а затем в клетки. При этом всегда происходит отток из клетки углекислого газа, по которому также можно контролировать массообменные процессы.

Потребность культуры микроорганизмов в кислороде зависит от ряда факторов:

• — концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости;
• — наличия в среде других питательных веществ и ингибирующих рост микроорганизмов;
• — вида источника углерода, т. е. степени его окисления.
• — вида микроорганизма, т. е. его биологии.

Скорость потребления кислорода зависит также от объема культуральной жидкости. При концентрации растворенного кислорода ниже критической для данной культуры скорости его потребления и соответственно, роста снижаются, т. е. кислород становится лимитирующим фактором.

Если допустить, что весь потребляемый кислород клетками расходуется на получение энергии, необходимой ля роста биомассы, то можно оценить теоретическую потребность в кислороде, пользуясь стехиометрическим уравнением роста. Для этого рассчитывают количество биомассы теоретическое, а затем вычисляют практическое потребление кислорода. Какое будем меньшим? Разумеется, практическое потребление кислорода будет больше, так как он расходуется еще и на другие цели.

Обеспечение культуры кислородом должно проводиться с учетом того факта, что в зависимости от условий аэрации и перемешивания, парциального давления над культуральной жидкостью, может изменяться направление метаболизма. Существуют процессы, при которых лимит кислорода не должен быть (биосинтез ряда антибиотиков, органических кислот), тогда как при других процессах необходимы условия лимитирования кислородом. Следует отметить, что для большинства аэробных процессов наилучших результатов можно достичь при концентрации кислорода не ниже критической.