Биореакторы с мембранными устройствами газового питания для культивирования дрожжей Saccharomyces cerevisiae

• Автор: Шавалиев, Марат Фаридович
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 149 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 МЕМБРАННЫЕ УСТРОЙСТВА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА МИКРОБНОГО РОСТА

1Л Конструкции биореакторов с мембранным устройством газового питания

1.2 Теоретические основы массопереноса кислорода через непористые мембраны

1.3 Потребность микроорганизмов в кислороде. Сравнительная энергоэффективность аэробного роста и анаэробиоза

1.4 Теоретические основы расчета материального баланса микробного роста

1.5 Технологические риски в процессах выращивания чистых культур в аэробных условиях

1.6 Постановка задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ БИОРЕАКТОРОВ С МЕМБРАННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ
2.1 Колонные биореакторы с осевым и винтовым движением потока
2.2 Технические испытания мембранного устройства
2.2.1 Оценка изменения деформации мембраны при многократной стерилизации
2.2.2 Оценка провисания трубчатых мембран при максимальном давлении
2.2.3 Оценка рабочего объема аппаратов и удельной поверхности мембран
2.3 Исследование гидродинамики жидкостного потока
2.3.1 Материалы и методы исследования гидродинамики
2.3.2 Исследование режима течения потока в биореакторе
2.3.3 Выбор типа и идентификация гидродинамической модели биореактора
2.4 Оценка параметров массообмена кислорода в биореакторах с мембранными устройствами газового питания
2.4.1 Материалы и методы выполнения исследований
2.4.2 Оценка массообменных характеристик биореакторов

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫРАЩИВАНИЯ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В БИОРЕАКТОРЕ С МЕМБРАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ
ЗЛ Материалы и методы исследования процессов выращивания инокулята спиртовых дрожжей
ЗЛ Л Характеристика спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae
З Л .2 Питательная среда
З Л .3 Методы технохимического контроля
ЗЛ.4 Технологическая схема и управление процессом выращивания спиртовых дрожжей
3.2 Режимы культивирования и микробиологический контроль процесса .
3.4 Методика расчета стехиометрических параметров роста спиртовых дрожжей в стационарном режиме культивирования
3.5 Удельные затраты энергии и доля популяции, обеспеченная кислородом, в стационарном процессе выращивания инокулята спиртовых дрожжей
4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО БИОРЕАКТОРА КОЛОННОГО ТИПА
4.1 Проблема масштабирования биореактора
4.2 Рекомендации по технологической обвязке инокулятора промышленного масштаба
4.3 Разработка технического задания на промышленный образец инокулятора
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение А
Приложение Б

ВВЕДЕНИЕ
Во всем мире все более интенсивно ведутся работы по созданию и совершенствованию технологий производства топлив из возобновляемого сырья. Проблема замены ископаемых топлив альтернативными источниками энергии актуальна и для Российской Федерации. Даже в нефтедобывающей Республике Татарстан, на территории которой за последние 60 лет XX века было извлечено 3 млрд.т нефти, оставшиеся ресурсы нефти оцениваются примерно в 1,7 млрд.т, которые при современном уровне добычи будут сработаны в среднем за 30 лет [1]. Запасы угля оцениваются в 3,4 млрд.т [1] и их должно по прогнозам хватить для производства химического сырья и энергии на 60-70 лет. Таким образом, в течение XXI века должна быть полностью изменена ресурсно-сырьевая база топливной промышленности.
Одним из перспективных процессов является производство биоэтанола, масштабы применения которого стремительно возрастают [2]. Совокупный среднегодовой темп роста (САШТ) объемов производства биоэтанола в мире с 2002 г. по 2007 г. составил 19,0% [3]. Всего в 2008 г. в мире было произведено 65,61 млн. т биоэтанола. Бразилия и США являются лидерами в мировом промышленном производстве этанола, совместно они производят 70 процентов мирового объема этого продукта и используют почти 90 процентов этанола в качестве топлива. Также наращивается производство этанола в ЕС, Китае, Канаде, Таиланде, Колумбии, Индии, Австралии [4].
В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Однако, в ведущих странах мира ведутся работы по созданию технологий производства биоэтанола и других биоспиртов второго поколения из целлюлозосодержащего сырья [4].
Сырье для организации производства топливного спирта в начальный период энергетического перепрофилирования хозяйства должно соответствовать ряду требований [5]:

содержанием (от 10 до 80 млн.кл/мл) микроорганизмов, культуральная жидкость подвергается воздействию инфекционной микрофлоры, при этом накапливаются ингибирующие кислоты и происходит потеря углеводов на обмен веществ посторонних, «диких» микроорганизмов [92].
Таким образом, выращивание посевных материалов, в спиртовом производстве, осуществляемое в анаэробных условиях не позволяет получить достаточно высокую плотность посевного материала и не обеспечивает высоких технико-экономических показателей процесса брожения.
Переход к аэробному культивированию с применением непосредственной аэрации воздухом позволяет достичь большей
концентрации дрожжевых клеток в культуральной жидкости [7, 93], однако он сопряжен с повышенной опасностью инфицирования чистой культуры посторонней микрофлорой и, кроме того, требует применения конструктивно более сложных и дорогих аппаратов с интенсивным перемешиванием.
Процессы ферментации, протекающие в промышленных ферментерах, используются для получения различных продуктов биосинтеза. При этом важнейшей задачей ферментации, как правило, является максимальный выход целевого продукта. Для достижения этой цели процесс ферментации должен проводиться в оптимальных условиях. Оптимальные условия проведения процессов создаются с помощью ферментационного
оборудования и той инфраструктуры, которая обеспечивает его
функционирование.
Современная мировая практика предполагает проведение анализа и управление рисками, связанными с ферментационными процессами и ферментационным оборудованием. Она нашла свое отражение и в инициативе US FDA (United States Food and Drug Administration), которая реализовалась в ряде недавно опубликованных документов, относящихся к cGMP (current Good Manufacturing Practice) [94]. При этом система управления рисками на предприятии, совмещенная с системой менеджмента качества, призвана в полной мере гарантировать качество оборудования и