Биореакторы

Рис. 1.4. Процессы микробиологического синтеза, осуществляемые в биореакторах

Биореактор. Аппараты для проведения процессов культивирования микроорганизмов — биореакторы — можно рассматривать как технические системы, предназначенные для преобразования необходимых материальных и энергетических потоков в процессе роста и размножения клеток. Биохимические реакторы представляют собой основное технологическое оборудование, элементы схемы производства в целом, а эффективность их функционирования определяет в основном технико-экономические показатели биотехнологической системы. Многообразие форм конструктивного оформления биореакторов определяется технологическими и микробиологическими требованиями осуществляемого процесса ферментации. Так, схема на рис. 1.4 иллюстрирует различные процессы микробиологического синтеза, осуществляемые в промышленных биореакторах, а также основные условия их проведения. В биореакторе необходимо поддержание заданной температуры культивирования 1, давления Р, pH среды, окислительно-восстановительного потенциала еН, уровня растворенного кислорода Со времени ферментации т и концентрации лимитирующего субстрата 5. Для обеспечения заданных физико-химических параметров протекания процесса в биореакторе должны быть выдержаны необходимые условия тепло- и массообмена, аэрации среды и режима гидродинамического перемешивания. Рассмотренные на схеме процессы осуществляются в результате глубинного культивирования микроорганизмов в условиях аэрации и перемешивания среды. Известны также биореакторы для осуществления процесса путем поверхностного культивирования клеток с использованием микробиологических пленок и флокул, а также биореакторы для процессов с иммобилизованными на носителях ферментами [22]. [c.12]

В базу данных программы включены основные виды сушилок и трубчатых печей промышленные биореакторы, широко используемые во всем мире различные конструкции выпарных аппаратов. [c.13]

Каждый из этих элементов (подсистем) характеризуется сложной иерархической структурой связей, к которой также применим системный подход. Так, клетка как сложная система может быть представлена многосвязной метаболической схемой, соответствующей внутриклеточным процессам. Биореактор с позиций системного анализа представляет многоуровневую систему, состоящую из гидродинамических, тепло-массообменных и биохимических процессов, осуществляемых в определенном конструктивном оформлении. БТС в целом включает технологические процессы и аппараты, связанные материальными и энергетическими потоками, и обеспечивает производство целевого продукта микробиологического синтеза. Рассмотрим качественные характеристики данных подсистем, что позволит оценить их сложность как больших систем и целесообразный уровень детализации при разработке формализованных методов математического описания БТС. [c.7]

Применение построенной гибридной сети позволило при ограниченном объеме имеющейся экспериментальной информации решать задачу оптимального управления биореактором. [c.76]

Таким образом, в биореакторе одновременно протекают процессы на микроуровне, к которым относится совокупность физических и биохимических явлений, происходящих с отдельными клетками, и процессы на макроуровне, к которым относятся гидродинамические тепловые и диффузионные явления (рис. 1.5). Согласно системному подходу к исследованию биохимического реактора рассмотрение всей совокупности процессов на микро- и мак- [c.12]

Рис. 1.5. Схема взаимосвязи процессов на микро- и макроуровнях в биореакторе

Рис. 1.6. Иерархическая схема процессов в биореакторе

Биореактор в качестве технологического элемента БТС в зависимости от топологической схемы производства может функционировать в следующих вариантах как отдельный аппарат в схеме (рис. 1.7, а), когда в биореактор подаются исходные компоненты, а получаемый продукт поступает на дальнейшую переработку в другие технологические аппараты в последовательной схеме (см. рис. 1.7, б) в схеме с рециркуляцией (см. рис. 1.7, в) в параллельной схеме (см. рис. 1.7, г) в сложных технологических схемах (см. рис. 1,7, <3), когда совместно с биореакторами функционируют другие технологические аппараты (в этих условиях биореактор рассматривается уже как элемент более сложной биотехнологической системы). [c.14]

Основной стадией биохимического производства является IV — ферментация, представленная несколькими (в зависимости от мощности производства) параллельно работающими биореакторами, в которых осуществляется непрерыв- [c.14]

Рис. 1.7. Варианты схем функционирования биореакторов в БТС

Между отдельными элементами БТС имеется функциональная взаимосвязь. Элементы взаимодействуют между собой и с окружающей средой в виде материального, энергетического и информационного обмена. На уровне элементов БТС реализуются типовые процессы преобразования вещества и энергии, например, механические в смесителях, биохимические в биореакторах, тепловые в теплообменниках, стерилизаторах и т. д. В соответствии со стратегией системного анализа на уровне отдельных элементов схемы ставится задача получения функционального оператора или модуля, представляющего собой математическую модель типового технологического процесса. В зависимости от функциональной сложности технологического элемента для его описания могут быть использованы один или несколько типовых операторов, приведенных на рис. 1.9. [c.18]

Условия функционирования узла следующие. В биореактор поступают потоки питательной среды /.], нейтрализующего агента 2 и культуральной жидкости L (после сепарационного разделения последний содержит определенное количество клеток микроорганизмов). В отводимом из сепаратора потоке Ц находятся концентрированная биомасса микроорганизмов и некоторое количество неутилизированной питательной среды (субстрата). Поток суспензии микроорганизмов из биореактора в сепаратор обозначим з. Биореактор имеет систему охлаждения II, обеспечивающую поддержание заданной температуры процесса ферментации в условиях выделения тепла при реакции биосинтеза. Суспензия микроорганизмов при сепарации дополнительно подогревается. Биореактор представлен в виде трех операторов — I — смешение , II — теплообмен , III — биохимический синтез , а сепаратор в виде двух операторов — IV — теплообмен и V — разделение . [c.19]

Возможны различные варианты организации рециркуляционного потока. Так, можно возвращать на вход подсистемы поток сгущенной биомассы з. Такой прием используется в практике культивирования для вывода на стационарный (с заданной концентрацией биомассы) режим ферментации биореактора после засева. С целью более полного использования жидкостных пото- [c.23]

Используя для описания кинетики роста клеток и утилизации субстрата в биореакторе модель Моно — i= im[ 5/(/(s+5)], получим следующую систему уравнений для расчета стационарных концентраций биомассы и субстрата на выходе из биореактора [c.23]

Наиболее часто используется критерий оптимальности в виде аддитивной функции частных критериев (1.27). Например, в задачах оптимизации объемов биореакторов (или времени пребывания в биореакторах) в технологической схеме, обеспечивающей получение продукта в заданном количестве [c.29]

Одним из основополагающих принципов микробиологической очистки воды является иммобилизация микроорганизмов в очистном сооружении [9]. Задача заключается в выборе и реализации приемлемого способа иммобилизации, обеспечивающего сохранение биохимической активности микроорганизмов в отношении загрязнений воды и предотвращение их существенного выноса из биореактора. Также они должны быть неспецифичными (универсальными), максимально простыми, дещевыми, обеспечивающими удерживание значительного количества микроорганизмов в реакторе при экстремальных условиях (изменении состава и концентрации загрязнений, гидравлического режима). Этим требовяниям более всего удовлетворяет иммобилизация микроорганизмов путем адгезии на поверхности носителя. Поскольку при изучении взаимодействия клеток с носителями часто используют аппарат, разработанный для адсорбции из растворов, в литературе наряду с термином адгезия (прилипание к поверхности) употребляют термин адсорбция (удержание у поверхности), особенно в отношении начального периода процесса взаимодействия. [c.167]

Количество тепла, выделяемого в единицу времени в схеме, состоящей из М параллельно работающих биореакторов, составит [c.31]

Другим примером часто используемого критерия оптимальности является соотношение в виде аддитивной функции. Так, в работах [5, 9] рассматривается задача оптимального распределения объемов биореакторов (идеального смешения) при последовательном непрерывном процессе культивирования микроорганизмов. Критерий оптимальности рассматриваемой задачи имеет вид [c.34]

Разработана программа расчета основных элементов САПР микробиологической промышленности на языке "ТигЬо-Разка ", включающую в себя следуюш.ие разделы 1) ферментация (расчет процесса ферментации, выбор промышленного биореактора) 2) выпарка (расчет процесса выпарки, выбор выпарного аппарата) 3) сушка (расчет процесса сушки, выбор типоразмера печи и сушилки), [c.13]

В работе [49] рассмотрены перспективы биоочистки. Показано, что биоочистка дает возможность детоксикации или деструкции зафязнителей до безвредных побочных продуктов. Методы биоочистки распадаются на три направления очистка сточных вод фильтрацией через почву, биореакторы и обработка in situ. Очистка фильтрацией через почву обычно является наименее дорогостоящим методом биологической обработки, но требует адекватных количеств земли, которая может быть предназначена под обработку на несколько методов и более. [c.134]

Биотехнология может осуществляться не только непосредственно в естественных условиях, но и при снятии зафязненного грунта и его переработке в биореакторе. [c.389]

Совместно с Л.С.Гордеевым и А.Ю.Винаровым сформулированы научные принципы анализа, оптимизации, масштабирования и проектирования биотехнологических процессов. С позиций системного подхода последовательно проведен анализ эффектов и явлений, происходящих в биохимическом реакторе на микро- и макроуровне. Разработаны математические модели, учитывающие кинетику роста микробных популяций, транспорт питательного субстрата к клеткам и гидродинамическую обстановку в реакторе, характеризуемую эффектами се1регации ферментациогшой среды и неидеальностью структуры потоков в реакторе большого объема. Предложена методика решения задачи масштабного перехода от лабораторных установок к промышленным биореакторам на основе вычислительных экспериментов. Показаны направления оптимизащш конструктивных и режимных параметров биотехнологических процессов. [c.13]

Среди применений искусственных нейронных сетей хочется особенно отметить их эффективное использование для описания статики и динамики трудно формализуемых математически процессов. Примером являются процессы, протекающие в биореакторах. Росг биомассы в таких процессах зависит от множества факторов и, как следствие этого, кинетические модели являются плохо устанавливаемыми. С целью преодоления указанных обстоятельств в [2] применили гибридную нейронную сеть для описания процесса ферментации в биореакторе. Собственно нейронная сеть моделировала скорость роста популяции, которая непосредственно не может быть измерена. Поэтому модель биореактора дополнялась уравнениями сохранения, позволившими замкнуть описание процесса и выразить измеряемые выходные переменные (концентрации биомассы и субстрата). Таким образом, стало возможным применение алгоритам обратного распространения для обучения нейронной сети. Оценочная функция Е представляла собой средневзвешенное квадратичное отклонение измеряемых и даваемых гибридной сетью выходных переменных безразмерной концентрации субстрата 8 и безрезмерной концентрации биомассы X [c.76]

На рис. 3 представлены результаты культивирования в хемостатных условиях консорциумов, неадаптарованных к перекиси водорода, и без внесения Н2О2. В этих условиях при скорости разбавления 0,04 ч и входной концентрации фенола в среде культивирования до 3 г/л скорость его окисления не превышала 0,13 г/л.ч. Остаточная концентрация фенола в среде на выходе из биореактора находилась на уровне 0,1-0,2 г/л. [c.233]

При внесении Н2О2 в подаваемую в биореактор среду культивирования с фенолом (концентрация фенола 1,8 г/л, pH 7,0) в режиме хемостата бактериальный ценоз, адаптированный к Н2О2, выдерживал присутствие перекиси водорода в концентрации до 3 г/л при производительности по окисленному фенолу до 0,22 г/(л.ч) (рис. 4). [c.233]

Результаты культивирования в условиях хемостата показали, что биоценозы могут "работать" при непрерывной подаче Н2О2 в биореактор при содержании перекиси во входной среде до 3 г/л. В то же время, достигнутые показатели скорости окисления фенола и производительности биореактора не очень значительно отличались от таковых для контрольных вариантов на основе обычных консорциумов микроорганизмов-фенолдеструкторов и без использования дополнительного химического окисления. [c.235]

Один из методов повышения производительности биореакторов в технологии биосинтеза связан с так называемым "высокоплотностным культивированием" микроорганизмов, которое реализуется при проведении процесса по специальной программе с подпиткой субстратом в периодическом режиме культивирования [24]. Это повышает концентрацию клеток микроорганизмов в среде культивирования и при поддержании неизменной удельной скорости биосинтеза общую производительность биореактора. Однако такой процесс требует тщательного выдерживания необходимых параметров биосинтеза (прежде всего текущей концентрации органического субстрата и концентрации растворенного кислорода, а также pH и содержания минеральных компонентов питания). Кроме того, питательные субстраты должны подаваться в биореактор в концентрированном виде. Процесс с подпиткой был бы одним из наилучших решений при биологическом обезвреживании концентрированных токсичных стоков и отходов, поскольку он может привести не только к увеличению производительности биореактора, но и к уменьшению объема вторичных стоков и отходов со стадии биологической очистки, Однако применительно к переработке токсичных соединений возможности тфоцесса с подпиткой резко ограничиваются из-за образования побочных продуктов метаболизма, ингибирующих процесс окисления. Так, в наших экспериментах в обычными консорциумами фенолдеструкторов ингибирование окисления в режиме с [c.235]

В течение всего опыта в биореактор вносили фенол порциями по 0,5-5,0 г/л. Процесс окисления осуществляли при не очень интенсивном перемешивании среды в биореакторе, так что потребление фенола можно было легко определить по падению текущей концентрации растеоренного кислорода в ферментационной среде, а возрастание р02 свидетельствовало об исчерпании фенола и необходимости внесения его новых порций. Одновременно в первые от начала опыта 1000 ч вносили Н2О2 в виде 50%-го [c.236]

Так как биопроцессы проходят при участии микроорганизмов, бактерий, очень важно понять причины уменьшения их жизненной активности. Большое значение имеет устойчивость микроорганизмов к различным стрессовым воздействиям. Изучение таких воздействий на биологические частицы помогает понять причины изменения их жизнедеятельности, что в конечном итоге влияет на производительность мембранного биореактора и качество продукта. [c.145]

Разработан протраммный комплекс для расчета основных параметров устойчивой работы мембранного биореактора. [c.145]

Стадия подготовки засевной биомассы I обеспечивает подачу в производственные биореакторы необходимого количества посевного материала — активной культуры микроорганизмов, выращенной в периодически или непрерывно работающих инокуляторах. На стадии подготовки минеральной питательной среды а осуществляется растворение минеральных солей, фильтрация растворов и доведение концентраций элементов в них до заданных соотношений. В качестве минеральных источников питания используют сернокислые соли калия, магния, железа, аммофос, сульфат аммония, а также микроэлементы — соли марганца, цинка, железа и меди. Подготовка углеводородного субстрата (стадия III) включает процессы подогрева, перемешивания жидких парафинов и их дозированной подачи в производственные биореакторы. [c.14]

Третий уровень — уровень макросоставляющнх элементов БТС — включает процессы массопередачи, теплопередачи, гидродинамики в объеме биореактора, а также в обобщенном виде кинетические закономерности роста популяции микроорганизмов в объеме биореактора. Аналогично могут быть детализированы макро- и микросоставляющие для других элементов БТС. [c.43]

Моделирование и системный анализ биохимических производств (1985) -- [ c.12 , c.136 , c.196 , c.209 ]

Машины и аппараты пищевых производств (2001) -- [ c.1043 , c.1048 ]

Молекулярная биотехнология принципы и применение (2002) -- [ c.110 , c.349 , c.350 , c.351 , c.352 , c.353 , c.354 , c.355 , c.356 , c.357 , c.358 , c.359 , c.360 , c.361 , c.362 , c.363 , c.364 , c.365 , c.366 , c.367 ]

Очистка сточных вод (1985) -- [ c.138 ]

Биология Том3 Изд3 (2004) -- [ c.0 ]

Искусственные генетические системы Т.1 (2004) -- [ c.0 ]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология