С.Дж.Перт

через барьер, где (cs - с) представляет собой движущую силу.

Подобно электрическому току, ко­

ме стационарной жидкой пленки, предпплагается наличие ста­ ционарной газовой пленки на границе раздела (рис. 32, Б).

Скорость поглощения кислорода в стационарнпм состоянии мо­

жно представить следующим равенством:

где 1/Kg- сопротивление газовой пленки, l/KL - сопротивле­

ние жидкой пленки и l/K, - суммарное сопротивление

(9.17)

В системах с высокой степенью турбулентности сопротивление

газовой пленки незначительно Ll, стр. 135; 98], и тогда

K1=KL.

В заключение можно сказать следующее: из уравнения (9.14)

вытекает, что скорость транспорта кислорода из газа в жид­

кость пропорциональна площади границы раздела фаз, вели­

чине парциального давления кислорода и константе Генри и

находится в обратной зависимости от сопротивления жидкой

пленки (1/KL)-

9.6.2. Транспорт кислорода от жидкости к биомассе

При транспорте газа через жидкость к поверхности био­

массы добавляется сопротивление к диффузии, а именно ста­ ционарная жидкая пленка, окружающая клетку (рис. 32, В).

Исходя из данных по дыханию суспензии дрожжевых клеток в

неподвижной жидкой среде, Финн [98] пришел к выводу, что

максимальные концентрационные различия на поверхностях

жидкой пленки, окружающей дрожжевую клетку, т. е. (с - сь)

на рис. 32, В, достигают значения 2· 10-7 М. В перемешиваемой

клеточной суспензии толщина стационарной жидкой пленки и

соответственно концентрационные различия на ее противопо­

ложных поверхностях должны быть меньше. Рассмотренные

концентрационные различия незначительны по своей величине

по сравнению со значениями парциального давления растворен­

ного кислорода-около 10-6 - 10-5 (табл. 1), при которых

низкое содержание в среде кислорода начинает лимитировать

скорость дыхания [29].

Было выс-казано предположение, что клетки микроорганиз­

мов способны внедряться в етационарную жидкую пленку на границе раздела фаз газ - жидкость и даже концентрироваться

в ней, благодаря поверхностной активности клеток [332]. Это

пронизывание жидкой пленки клетками должно _уменьшать то.ж­

щину пленки и, следовательно, увеличивать KLa. Правомоч­

ность этой теории подлежит проверке.

9.7. Измерение значений KLa при отсутствии биомассы

9.7.1. Измерение с помощью реагентов, абсорбирующих кислород

Для измер,ения скорости растворения кислорода можно ис­

пользовать абсорбцию 02 растворами химических реагентов,

таких, как пирогаллол [83] и сульфит натрия с ионами двух­ валентной меди в качестве катализатора [59]. В основе этих

методов J1ежит тот факт, что скорость охисления реагента ли­ митируется только скоростью транспортtt кислорода из газовой

114 Глава 9

наклон - KLa. Этот метод имеет определенные преимущества

перед химическими методами, так как он пригоден в случае

самых различных сред и не включает химических реакций, спо­

собных изменять сопротивление жидкой пленки. К тому же

имеются данные о хорошем совпадении результатов, получен­

ных методом окисления сульфита в присутствии ионов меди и

методом с использованием кислородного электрода [47].

9.8. Измерение значений Krо

во время развития культуры

9.8.1. При стационарной кинетике

Значение KLa в развивающейся культуре можно установить

достаточно быстро, если использовать хемостатную культуру

встационарном состоянии. Кислородный баланс такой куль­

туры описывается следующим равенством:

кислородом. Для большинства культур первый член правой части уравнения (9.20) ничтожно мал по сравнению со вторым; кроме того, четвертый член ничтожно мал по сравнению с

третьим. Поэтому мы записываем

Величину скорости поглощения (при дыхании) кислорода (xq01 )

определяют или анализируя состав газа, или нестационарным

методом (разд. 9.8.2). При постоянной скорости разбавления

значение xq02 может оставаться постоянным в широком диапа­

зоне значений pg, и график зависимости pz от pg будет иметь наклон -1/KLaH до тех пор, пока недостаточное количество кислорода не начнет лимитировать скорость дыхания. Такая

прямая зависимость была получена для культуры Klebsiella

aerogenes при умеиьшеиии иапряжения растворенного кисло­

рода до уровня ниже 15 мм рт. ст. [124].

9.8.2. При нестационарной кинетике

В условиях периодического культивирования скорость погло­ щения кислорода на единицу объема культуры выражается сле­ дующим образом:

(9.23)

где х- биомасса за время t. Если снабжение кислородом пре­ кращается, первый член правой части уравнения (9.23) стана-

с

Поilача во38уха

отк..rючена

\

Св_,___ Пооача вosiJ!,fxa

включена

\

о

Рис. 33. Изменение концентраций растворенного кислорода (с), используемых для вычисления КLa при кинетике нестационарного состояния (разд. 9.8.2).

вится равным нулю, то есть dc/dt = q0 ,x. Построив график зна­

чений с против t (рис. 33), получим прямую, по наклону кото­ рой находят скорость поглощения кислорода q0 ,x. При возоб-

новлении подачи воздуха концентрация растворенного кисло­

рода увеличивается, согласно уравнению (9.23), и наклон пря­

116 Глава 9

Из этого соотношения видно, что константа К.Lа, найденная из

графика зависимости с от ( dc/dt +q0 ,x), будет иметь наклон -1/KLa, Член (dc/dt + q02 x) может измеf!яться или в зависимо•

сти от количества биомассы, или от парцuального давления кис­ лорода в газовой фазе. Интервал времени, когда происходит изменение с, должен быть достаточно короткuм, чтобы измене­ ния концентрации биомассы были ничтожно малы. Этот метод уже нашел практическое щшменение [14). Была также предло­

жена интегральная форма выражения (9.23) для определения

KLa [102]:

(9.25)

где t = О, с= О и св - значение с непосредственно перед от­

ключением подачи воздуха (рис. 33), т. е. когда dc/dt ~ О. Под­ ~тавив выражения с= Нр1 и Св= Нрш, rде Р1 и Р~в- напряже•

Значение KLa может быть определено из наклона графика за­

висимости lп ( 1 - Pzfв) от t, и при этом не нужно знать значе•

ние константы Генри, как в случае уравнения (9.24).

9.8.3. Пpu лимитации роста кислородом

Когда происходит лимитация дыхания кислородом и в урав­

Глава 10

МЕТОДЫ АЭРАЦИИ i4 ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

10.I. Введение

Простейшим методом аэрации культур микроорганизмов яв­ ляется выращивание на поверхности неперемешиваемой жидкой

среды или на плотной среде. Этот метод используют обычно в

лабораториях и в промышленных условиях - при получении

старым способом уксуса и лимонной кислоты. Первоначально

пенициллин также получали при поверхностном культивирова­

нии гриба Penicillium, однако необходимость в пенициллине

стимулировала изучение глубинного роста аэробных микроорга­

низмов, и вскоре этот метод лег в основу развития основных

принципов аэрирования культур.

Клюйвер и Перквин [ 173] первыми использовали качалку

для выращивания глубинным способом грибов, которые в

естественных условиях развиваются на поверхности субстрата. Появление метода качалок явилось очень важным достиже­ нием, поскольку дало возможность получать культуры аэроб­

ных микроорганизмов, выращенных до больших концентраций

вгомогенных условиях, и соответственно упростило изучение

фи·шолоrии этих организмов.

Современные лабораторные ферментеры с перемешиванием

снабжены максимально универсальными и полностью контроли­

рующими средствами для глубинного культивирования как

микроорганизмов, так и клеток животных и растительных тка­

ней. Вращающиеся ферментеры (см., например, [336]) были

предложены вместо ферментеров с перемешиванием, с тем что­

бы избежать применения таких перемешивающих устройств,

которые, по имеющимся данным, способны были повреждать

организмы. Хотя в некоторых случаях механические поврежде­

ния мицелиальных организмов очевидны, отрицательное влия­

ние этих повреждений на функциональные свойства культур не

доказано. Даже клетки млекопитающих, которые, судя по

всему, пред~тавляют собой наиболее чувствительные структуры,

успешно росли в лабораторных ферментерах при высокой ско­

рости перемешивания [171]. Вполне возможно, что механиче­ ские повреждения биомассы являются не первичной причиной

ухудшения роста, а только усиливают неблагоприятное действие

имеет место интенсивная турбуленция в области лопаток ме­

шалки, однако в области жидкости, находящейся несколько в

стороне от мешалки, циркуляция происходит с небольшой тур­ булентностью.

Полная турбулентность достигается использованием 4 оди­ наковых по размеру отбойников, имеющих в ширину от 0,08 до

0,1 диаметра сосуда и идущих на всю глубину жидкости [98]. В Германии во время второй мировой войны для получения дрожжей использовался ферментер Вальдоффа с дополнитель­

ным внутренним сосудом, так называемым «стаканоV!»

(рис. 34, В); этот стакан создает вихрь, несмотря на наличие

отбойников. Было установлено [48, стр. 94], что ферментер

Вальдоффа действует как вихревая система объемом 5 л. Было

бы интересно знать, остается ли это заключение верным при

увеличении размеров аппаратуры.

В химической промышленности Великобритании для полу­

чения белка одноклеточных с помощью бактерий, использующих метанол, был выработан принцип «эрлифта» для аэрации и пере·

вана на более простой механике, чем большие ферментеры с

перемешиванием. Получающееся при этом значение KLa может быть подсчитано из уравнения (9.22) для процесса на метаноле,

1ООО ч-1, т. е. имеет приблизительио такое же значение, как и в случае ферментера с мешалкой.

10.4. Конструкция мешалки

Наиболее эффективный тип мешалки представляет собой

диск с вертикально насаженными лопатками (рис. 35). Опти­

мальный размер диаметра составляет 0,4 диаметра сосуда.

Вращение вертикально посаженных лопаток вызывает центро­

бежное перемешивание жидкости в отличие 9т аксиальных по­

токов, создаваемых наклонными лопатками. По скорости окис­

ления сульфита можно заключить, что вихревая система при

вращении мешалки с вертикальными лопатками со скоростью

1000 об/мин обеспечивает скорость растворения кислорода в не­

сколько раз более высокую, чем система с наклонными лопат­

ками [48, стр. 88]; однако при скорости перемешивания

2000 об/мин различия незначительны. Следовательно, для обыч­ но применяемой скорости перемешивания в вихревой системе

(< 1500 об/мин) конструкция мешалки с вертикально поса­ женными лопатками является оптимальной.