Проточные реакторы с полным перемешиванием для культур клеток и пристеночный рост клеток

Для повышения выхода биомассы и продуктов жизнедеятельности организмов в единице объема реактора в единицу времени ПРПП можно снабдить сепаратором (гл. 11) и устройством для рециркуляции концентрированной суспензии клеток. В соответствии с принятыми на рис. 9.4 обозначениями, символами F₀ и F_r мы будем обозначать объемные скорости потоков поступающих в систему питательных веществ и рециркуляции соответственно, а символами x₁, х₀ и x — концентрации биомассы в реакторе, рециркулирующем потоке и в выходящем из реактора потоке соответственно. Эти величины могут различаться в силу специфики работы сепаратора (которым может быть, например, отстойник), расположенного в точке разделения потока, вытекающего из реактора. При a= F_r/F₀ и

b = x₀/x₁ в стационарном состоянии уравнение материального баланса по биомассе для системы с рециркуляцией выглядит следующим образом:

(9.7)

Тогда общая (или внешняя) скорость разведения D (равная F₀/V_r) составит:

(9.8)

РИС. 4. Схема ПРПП с рециркуляцией.

Поскольку концентрация микроорганизмов в циркулирующем потоке обычно выше концентрации на выходе из реактора, то b>1. В этом случае, как показывает уравнение (9.8), скорость разведения выше удельной скорости роста организмов. Следовательно, рециркуляция при той же скорости роста организмов позволяет перерабатывать за единицу времени больше питательных веществ в единице объема реактора. Эта особенность проточных реакторов с рециркуляцией с большим успехом используется в процессах биологической переработки отходов, подробнее рассматриваемых в гл. 14. (Каков эффект рециркуляции при b=1? Объясните физический смысл полученного вами результата.)

Другие важные преимущества системы с рециркуляцией обнаруживаются после ряда преобразований уравнений материального баланса по компонентам системы. Если принять, что экономический коэффициент постоянен, то уравнение материального баланса по субстрату можно записать в виде

(9)

Из уравнений (9.9) и (9.8) нетрудно найти, что скорость образования биомассы в единице объема реактора (μx₁) равна:

(10)

Эта величина больше скорости образования биомассы без рециркуляции в [1—a(b—1)]^-1 раз. Если принять, что [μ подчиняется уравнению Моно, то можно показать, что и скорость разведения в точке вымывания при рециркуляции возрастает во столько же раз.

В экспериментах с растущими популяциями клеток в ПРПП иногда и в отсутствие рециркуляции можно добиться более высоких скоростей разведения без вымывания по сравнению с величиной, предсказываемой теорией идеальных ПРПП. Это явление может быть обусловлено ростом организмов на стенках реактора (так называемым пристеночным ростом). В общем случае в реакторе может быть несколько центров образования твердых пленок организмов. Колонии микроорганизмов могут возникать, например, над уровнем жидкой фазы там, где разбрызгиваемые капли культуры попадают на стенки резервуара, или в трещинах и щелях в относительно неперемешиваемых (застойных) зонах биореактора. Если допустить, что концентрация клеток в пленках на стенках реактора x_f постоянна во времени, то размножение организмов в этих пленках должно сопровождаться переносом клеток со стенок в жидкую перемешиваемую культуру. В этом случае уравнения материального баланса для стационарного состояния в проточном реакторе примут следующую общую форму:

(9.11)

(12)

Здесь μ_f и Y_f — удельная скорость клеточного роста и экономический коэффициент в пленке соответственно. Эти параметры по целому ряду причин отличаются от соответствующих параметров основной массы культуры μ и Y, в том числе из-за влияния диффузии на скорость реакции.

Здесь необходимо отметить, что слагаемое μ_fx_f в уравнении (11) отражает второй источник поступления клеток в культуральную жидкость, который практически не зависит от D, поэтому пристеночный рост организмов предотвращает вымывание. В этой связи следует также подчеркнуть, что у лабораторных реакторов отношение поверхности к объему значительно выше, чем у крупномасштабных промышленных реакторов, и, следовательно, вклад пристеночного роста в лабораторных установках также в общем случае должен быть большим.

Таким образом, для систем, в которых наблюдается существенный пристеночный рост организмов, последний необходимо учитывать при масштабном переходе от данных по кинетике роста микроорганизмов, полученных в лаборатории, к промышленным реакторам большого объема.