Аэробное культивирование спиртовых дрожжей в биореакторе с мембранным аэрирующим устройством

• Автор: Александровская, Юлия Павловна
• Шифр специальности: 03.00.23, 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 173 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭФФЕКТИВНАЯ АЭРАЦИЯ ОСНОВА АЭРОБНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

1.1. Влияние кислорода на культивирование микроорганизмов

1.2. Модели массопередачи

1.3. Транспорт кислорода через непористую полимерную мембрану

1.4. Способы получения кислорода и обогащенного кислородом воздуха

Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ МАССОПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА ЧЕРЕЗ СИЛИКОНОВУЮ МЕМБРАНУ

2.1. Материалы и методы

2.2. Результаты и их обсуждение

2.3. Математическое описание массопереноса кислорода через
мембрану
2.4. Изучение массопереноса кислорода через мембрану в условиях модельной химической реакции
Выводы
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КУЛЬИВИРОВАНИЯ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ
3.1. Материалы и методы аналитического контроля
3.1.1. Состав питательной среды для аэробного культивирования спиртовых дрожжей
3.1.2. Физикохимические условия культивирования спиртовых дрожжей
3.1.3. Методы измерения количества и концентрации спиртовых дрожжей
3.1.3.1. Измерение числа клеток
3.1.3.2. Методика определения концентрации биомассы весовым методом
3.1.3.3. Определение концентрации биомассы дрожжей методом оптической плотности
3.1.3.4. Определение микробиологической чистоты дрожжевой культуры.
3.1.4. Определение содержания сахаров по Бертрану
3.2. Описание экспериментальных установок
3.2.1. Описание конструкции лабораторного мембранного биореактора с рабочим объемом 0,5 литра
3.2.2. Описание конструкции автоматизированной ферментационной установки на основе мембранного биореактора с рабочим объемом 1 литр
3.3. Результаты и их обсуждение
3.3.1. Культивирование спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе при аэробных условиях периодическим способом
3.3.2. Культивирование спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе при аэробных условиях отьемнодоливным способом
3.3.3. Культивирование спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе при аэробных условиях непрерывным способом
Выводы
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ
4.1. Материальный баланс углекислого газа и кислорода
4.2. Параметры метаболических процессов
4.3. Кинетическая модель роста дрожжей и метаболические скорости.
4.4. Результаты моделирования
4.5. Моделирование непрерывного процесса культивирования спиртовых дрожжей в аэробных условиях в мембранном биореакторе
Выводы
ГЛАВА 5. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОБОГАЩЕНИЯ ВОЗДУХА КИСЛОРОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКИХ ПАССИВНЫХ МЕМБРАН
5.1. Технология обогащения воздуха кислородом с использованием жидких пассивных мембран
5.2. Расчет системы обогащения воздуха кислородом с помощью моделирующей программы
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления, а также от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов. При давлении 0,1 МПа и температуре С в 1 литре дистиллированной воды максимальное количество растворенного кислорода составляет 7, мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода мгл . Растворимость кислорода уменьшается с повышением в питательной среде концентрации питательных веществ, и температуры. В сусле, находящемся в дрожжегенераторах, при полном насыщении его кислородом растворяется около 5 мгл кислорода . Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0, мин . Поэтому при выращивании аэробов необходимо обеспечить постоянный приток кислорода . Однако при аэрации воздухом только некоторая часть кислорода переходит в раствор, а остальное количество не используется 7. В связи с чем именно концентрация растворенного кислорода изза высокой скорости его потребления и малой растворимости в питательной среде в большинстве случаев культивирования аэробных микроорганизмов является лимитирующим фактором. Потребление кислорода на 1 кг прироста сухих веществ дрожжей изменяется от до г и зависит главным образом от количества воздуха, используемого на аэрирование. При расходе его от 2, до 3,5 м3м3час дрожжи потребляют кислорода в среднем гкг, при расходе 3,,3 м3м3час гкг. Из 1 м3 воздуха, необходимого для аэрирования 1 м3 сбраживаемой среды в дрожжегенераторах за 1 час затрачивается ,3 г кислорода. Коэффициент скорости использования дрожжами кислорода, отнесенный к 1 м3м3 час воздуха составляет г кислорода на 1 кг сухих веществ дрожжей в 1 час, а прирост дрожжей ной влажности на 1 м3 полезного объема дрожжегенераторов 2,,5 кгм3час. Коэффициент полезного действия барботажного воздухораспределения по сравнению с другими его видами самый низкий. При использовании более совершенных аэрирующих устройств количество кислорода воздуха, используемого дрожжами, может достигать . Микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для своей жизнедеятельности, активно реагируют на изменение его концентрации. При этом увеличение кислородосодержания в жидкости до определенного предела повышает скорость роста микроорганизмов, сокращает лагфазу, повышает урожайность клеток , а уменьшение содержания кислорода замедляет скорость роста . Для поддержания нормального роста микроорганизмов необходимо поддерживать в культуральной жидкости относительно высокий уровень концентрации растворенного кислорода. Принято говорить о критической концентрации кислорода, при которой наблюдается лимитация дыхания клеток. Лимитирование роста и физиологической активности клеток наблюдается при более высоких концентрациях кислорода на средах с глюкозой рост дрожжей лимитируется при рС2 на уровне от полного насыщения, на средах с парафинами при от полного насыщения. Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов . По данным УкрНИИСПа, концентрация растворенного кислорода в мелассном сусле равна 2. Ог При этом происходит умеренное размножение дрожжей и спиртовое брожение, причем скорость растворения кислорода значительно меньше скорости его потребления дрожжами . В настоящее время проблема снятия лимитирования кислородом при выращивании микроорганизмов в промышленных условиях не решена, и транспорт кислорода к клетке является одним из решающих факторов влияния на продуктивность процесса ферментации . Известно, что в условиях аэробиоза при понижении концентрации растворенного в среде кислорода до 0,5. Удельная скорость роста микроорганизмов перестает зависеть от содержания растворенного кислорода, когда оно превышает некоторое критическое значение . При концентрациях растворенного кислорода ниже критической удельная скорость роста микроорганизмов определяется содержанием кислорода, а не субстрата . Критическая концентрация кислорода для различных видов микроорганизмов может изменяться в пределах 0, мгл.