Избежать ошибок Биопроцесс развития
Воспользуйтесь этими советами, чтобы успешно справляться с проблемами, которые могут возникнуть во время проектирования и scaleup различных операций биопроцессов.
(ProQuest информации и обучения: ... означает формулы опускается.)
Многие взаимосвязи и отношения были разработаны Tor scaleup химических процессов, хижина эти уравнения не всегда применимы к их биохимической или биопереработки коллегами. Различия между этими инженерных дисциплин, лежат не в принципах блок операций и подразделение процессов, но в природе живых систем. Развития, scaleup и оптимизации сложных биохимических деятельности микроорганизмов, в том числе дрожжей, бактерий, водорослей и плесени, а также изолированные системы животных и растительных клеток, представляет инженерных задач, которые являются сложными и трудными. В данной статье рассматриваются различные факторы, которые должны быть тщательно рассмотрены в ходе множества биотехнологических операций и рассказывается о том, чтобы справиться с ними успешно. Поскольку это выходит за рамки данной статьи охватить все системы всесторонне, автор приводит практические примеры из литературы, которые демонстрируют успешные методы для данного сценария. Дополнительные ссылки можно получить, обратившись непосредственно к автору ..
1. Определите режим работы
Процессы, которые используют единичные клетки имеют много общего с теми, на основе микроорганизмов. Но в отличие от химических веществ, в результате коммерческого использования микроорганизмов, клеток или ферментов, полученных из клеток ограничено условия, при которых эти системы могут функционировать. Подавляющее большинство микроорганизмов действовать в мягких условиях, но некоторые процветают при температурах выше точки кипения воды или при значениях рН, далеко от нейтралитета. Выполнение биопроцессов может пострадать от изменения во многих биохимических шаги функционирования в концерте - например, микроорганизмов или ферментов теряют свою активность, и количество биомассы может уменьшиться, если условия эксплуатации бортом оптимального диапазона.
Одним из факторов, которые необходимо постоянно контролировать при производстве биомассы рН. Хорошее перемешивание необходимо для предотвращения среды от воздействия рН возмущений, которые могут возникнуть в результате прерывистого действия рН-контроль. В крупной ферментеров, отсутствие полной хорошо перемешанных окружающей среды может привести к карманы с разной значениях рН. Например, при использовании Bacillus thuringiensis для thuringiensin производства, рН необходимо поддерживать между 7 и 8,5. Любые отступления от рН 7,0 может привести к снижению биомассы и концентрации продукта. (Однако, короткие периоды колебаний рН имеют незначительное влияние на производство и биомассы thuringiensin концентрации.)
При более тщательном изучении, организм обычно производит биомассы и метаболических кислых отходов в логарифмической фазы роста. Кислоты используются в качестве источника углерода глюкозу после уже израсходована. Щелочи добавил поддерживать рН бульона. Когда организм вступает в стационарной фазы, производство биомассы значительно замедляется. При соответствующих условиях операционной, биомассы составляет около 92%, при этом окончательный рН 8,5 (1).
В целом, активность организма изображена графически в виде колоколообразной кривой, где высший балл отражает изменения рН. Хотя уровень организма деятельности увеличивается с ростом температуры системы (за уравнение Аррениуса), повышение температуры выше 70 ° C может привести к потере активности.
Модель для постоянного смешения реактор, в котором микроорганизм производит биомассы (концентрация которых х, измеряется в г / л), потребляя подложки (концентрация, как отметил с, г / л) в виде:
дх / DT =-Dx
DS / DT = D (S ^ югу O ^ - х) - Y
где D является ослабление курса (расход / объем; 1 / с); уравнения Моно (безразмерный); У выхода фактор (г клеток, образующихся на г субстрата потребляются) и с ^ о ^ к югу является концентрация субстрата в канале.
В целом, концентрация биомассы входе в реактор считается равным нулю. Это приводит к формированию новых отношений с точки зрения продуктивности ячейки стационарного:
Dx = DY (S ^ югу O ^ - ^ DK югу S ^ / (
Как D увеличивается, в камере производительность также возрастает, достигая максимума При некотором значении D, субстрат не используется, и обе скорости роста клеток и клеточных производительность падает до нуля - последняя принимает резкое падение (рис. 1). Это состояние называется смываются. Знание расхода вымывания необходимо для того, чтобы обеспечить, что реактор работает ниже этого значения, и что он все еще может сохранять высокую продуктивность клеток.
2. Влияние сдвига на клетки
В общем, все системы клеток, которые используются для производства биомассы высокие урожаи в условиях, когда поперечных сил более однородны, например, в воздушных биореактора. В биореакторе перемешивают бак, поперечных сил, будет значительно выше у крыльчатки, чем в других частях реактора. С высоким молекулярным весом вещества, такие как декстран, которые увеличивают вязкость среды, могут быть использованы для защиты клетки от повреждения, поглощая кинетическую энергию.
Рассмотрим влияние сдвига на различных типах клеточных культур. Одноместный клеток растений и животных больше, чем микробные клетки и легко повреждаются сдвига из-за интенсивной агитации, следовательно, перемешивают конструкции танка биореактора как правило, не работают с животными и растительными клеточных системах. Рекомендуем вместо них воздушные реакторов. Бактериальные клетки лучше, чем мицелиальных грибов, чтобы выжить в среде сдвига sparged, возмутили танк реактора, так как стенки клеток мицелиальных грибов состоят из хитина, который не так сильна как пептидогликана мешок, который защищает клетки бактерий.
Животные клетки не имеют клеточных стенок и особенно уязвимы для поперечных сил. Тем не менее, эти клетки также очень мал и может проскальзывать между вихрями, которые защищали их от поперечных сил. Тем не менее, осевая картина течения является предпочтительным для животных клеточных систем. Соотношение рабочего колеса до танка диаметр должен быть больше, чем типичные значения, если microcarrier культур используются.
Пузырьки газа может привести к повреждению клеток с мембранами двумя способами: Когда пузырьки распада на поверхности жидкости, клетки захваченных в результате пузыря подвергаются сравнительно высокие напряжения, которые могут разрыва клеточной мембраны. Кроме того, когда пузырьки пены или окружающие ячейки двигаться в различных направлениях или с разной скоростью, захваченных клетки тащили, а мембрана может быть порвана или стриженого друг от друга. Сведение к минимуму образования пены слоев, например, за счет увеличения диаметра зоны разъединения, либо с помощью медленных темпов аэрации, будет держать пузырь ущерб в проверке. Кроме того, добавление поверхностно-активные вещества защищают клетки от разрушения либо сделать их скользкими достаточно, чтобы уйти от высокой силы, или путем увеличения вязкости среды, способствуя тем самым его поглощения кинетической энергии клеток.
Аналогичным образом, микробных клеток мицелия окатышей и гифы могут быть повреждены при агитации вызванных барботирование и смешивания. В глубинного культивирования Aspergillus Азр, например, изменение размера гранул и пористость гранул оказались обратно пропорциональна удельной скорости диссипации энергии. В самом деле, общего распада гранул может произойти в случае полых централизованно autolyzed агрегаты (2).
Мицелиальные клеток также произвести внеклеточного матрикса полисахаридов, что вызывает скопление клеток в условиях напряжения сдвига. Это увеличивает общий метаболит производства. Однако, учитывая сильную тенденцию клеток приложить к чему-то, фрагменты гиф от внешней поверхности гранулы могут служить новые центры роста биомассы.
3. Клеточной адгезии к стенам
В некоторых брожения систем, таких как те, которые используют мицелиальных грибов, маленький блокнот культура растет на внутренней поверхности реактора. Гидрофобности поверхности бактериальной клетки является одним из наиболее важных факторов, определяющих механизм этого бактериальной адгезии (3). Если концентрации взвешенных и соблюдения биомассы х и х ^ 1 ^ к югу, соответственно, и если есть первого порядка обмена веществом между приостановлено и соблюдения биомассы с прямой и обратной константы скорости А ^ 1 ^ к югу и к югу К ^ 2 ^ соответственно, то:
дх / DT =-DX - к югу К ^ 1 ^ х ^ к югу 2 ^ х
дх ^ югу 1 ^ / DT = югу К ^ 1 ^ х - к югу ^ 2 ^ х ^
В стационарном состоянии:
D =
Уравнение 7 позволяют предположить, что соотношение концентрации biomuss присоединились к условному увеличение биомассы, промыть расход увеличивается на коэффициент (1 х ^ к югу 1 ^ / х).
В цилиндрический сосуд, площадь поверхности цилиндрической части пропорционально объему выражается в 1 / V ^ SUP 1 / 3 ^, с указанием в большем количестве клеточной адгезии, вероятно, в меньшей, а не в больших масштабах томов. Рисунок 2 изображает часть эффект клеточной адгезии к стенам, как функция V (при
Таким образом, эффект клеточной адгезии на D будет больше преобладает в лабораторном судов. И наоборот, если лабораторном судов, используемых для оценки условий эксплуатации и для разработки крупномасштабных судна, следует переоценивать разрежающего и мыть расход, и недооценивать реактора размер нужную ячейку производительность ( 4).
4. Жидкость вязкости (неньютоновских поведение)
Рассеянные нитевидные отвары продемонстрировать неньютоновской поведения - то есть, уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига. Кроме того, кажущаяся вязкость, как правило, довольно высока. Степенному закону, используемый для описания реологических свойств таких отвары брожения.
После брожения среда содержит полимерные подложки, такие как крахмал, кажущаяся вязкость уменьшается во время брожения из-за его ферментативного расщепления и потребления, а переход от неньютоновской к ньютоновской поведение может произойти. С другой стороны, когда полимер, создаваемых в ходе брожения, вязкость бульон будет возрастать с увеличением концентрации в бульоне.
Корреляции степенному закону была предложена для вязкости формы растворов, содержащих в зависимости от сухого веса биомассы (X), где колеблется от 1,1 до 2,65:
Другой уравнение степенной коррелирует с пределом текучести плесневых концентрации, где показатель колеблется от 2,3 до 2,5 (5).
Кислород передачи и CO2 удаления номера страдают от вязкости. Следовательно, они имеют важное значение в scaleup. Как повышении вязкости, диффузии уменьшается, что релизы объемного переноса массы. Как правило, влияние вязкости на объемных массопереноса колеблется от 0,28 до = 0,60. Если поток в области перехода, а = 1,03. Разрыв пузыря также зависит от вязкости жидкости и турбулентности (2).
Биомассы в виде гранул придает ньютоновской свойства брожения бульон. Форма приостановления Absidia corymbifera в нитевидные и гранулированных форм роста экспонатов различных поведение потока (6). Как уже отмечалось в литературе, нитевидные плесневых суспензий показали неньютоновской поведения и были соотнесены по псевдопластической модели. Ньютоновской поведение наблюдалось гранулированных плесневых суспензий, но при более высоких концентрациях лепешки, духовной поведение отвары стал псевдопластической. Неньютоновская поведение наблюдается и при использовании антибиотиков производства мицелиальных грибов.
5. Отвода тепла и деятельности / темпы роста
В случае экзотермических роста, темпы производства биомассы, тесно связаны с теплоотвода ставки, поскольку неконтролируемое повышение температуры может привести к потере активности микроорганизмов. Если реактор считается цилиндрических и отвод тепла от поверхности цилиндрической части, можно было бы получить от теплового баланса, что ячейки производительности пропорционально 1 / V ^ SUP 1 / 3 ^. Как показано на рисунке 3, расширение масштабов с коэффициентом 10 000 приведет к снижению производительности ячейки на коэффициент 21,5 (при условии, коэффициент пропорциональности равен 1). Таким образом, масштабные судов потребует дополнительных области теплообмена для восполнения больших уменьшается в ячейке производительности.
Аэробика производства отдельных белковых препаратов из природного газа с использованием methylococus capsultus представлена следующими стехиометрии и тепла поколения ставка 79,6 МДж / кг белка, произведенного (4).
...
Если скорость тепла сбалансирована со скоростью отвода тепла, сотовые продуктивность упадет от значения 6 г / м ^ 3 ^ SUP ч до 0,04 кг / м ^ 3 ^ SUP ч, если реакция масштабируется от 1 до L 50 м ^ 3 ^ SUP цилиндрический сосуд, предполагая, отвод тепла от бортов судна. Углеводороды производят больше тепла, чем частично кислородом видов. Таким образом, ферментации Первые требуют больше тепла, чем скорость передачи данных микробных потребление углеводов с той же скоростью массы (например, метана производит в 57 раз больше тепла, чем малат, ацетата или глюкозы эквиваленты). Расширенный время нагрева для стерилизации, и долго время охлаждения из-за недостаточного площадь теплоотдачи, также могут привести к разрушению термо-ответственным соединений.
6. Концентрация субстрата добавил, а торможение
В надоело партии или продлен брожения надоело пакетной обработки, субстрат или подложка добавил к содержанию реактора на заданной скорости. Как правило, концентрация субстрата в канале сохраняется очень высоким, в то время как его концентрация в реакторе слишком низкий уровень громкости, чтобы избежать чрезмерно увеличивая объем реактора содержания разбавленной канал.
Субстрат торможения при высокой концентрации сахара наблюдается во многих биохимических систем. Концентрация сахара в кормах, как правило, 100-300 г / л, сохраняется ниже 20 мг / л, чтобы избежать образования нежелательных побочных продуктов. Смешивание такой концентрированный раствор сахара в среду с 10 000 раз и нижней сахара, а также избегать контакта с клетки, содержащие карманы решение больше 50-100 мг / л, является непростой задачей.
Как правило, время перемешивания в сосуд обратно пропорциональна скорости мешалки, а для равных по массе передачи на всех уровнях, время перемешивания будет пропорциональна размеру судна V ^ SUP 2 / 9 ^. Scaleup с коэффициентом 10 000 приведет к примерно 8 раз увеличение времени перемешивания. Кроме того, высокой вязкости среднего замедляет время смешивания. Таким образом, микроорганизмы должны быть в состоянии выжить в условиях высокой концентрации среды дольше продолжительность с ростом масштабов деятельности. Так как масштаб деятельности увеличивается, то проблема становится более острой. Оптимальное построение кормить порты и идеальной механической конструкции мешалки для улучшения смешивания должны быть предприняты в крупных операциях. Аналогичные проблемы возникли во время того концентрированных кислот или щелочей обслуживание Tor рН.
Если в аэробной ферментации дрожжи, напряжение кислорода в некоторых районах реактора является слишком низким, или сахара больше, чем о 50 мг / л, нежелательным побочным этанола образуется. В процессе брожения из Lactis Lactococcus при высокой концентрации сахара, молочной кислоты является единственным продуктом, образуется. При низких концентрациях сахар, смесь нескольких кислот и этанола образуется.
Время перемешивания, что меньше, чем субстрат или времени кислородному истощению имеет решающее значение для субстратов и кислорода, которые добавляются постоянно или с перерывами. Если в любой момент клетки исчерпали свои критические подложки или острую нехватку кислорода, необратимый апоптоз может быть вызвано. Время перемешивания (которая зависит от агитатора и реактор размеров и числа оборотов мешалки) должно быть меньше времени, чтобы принять клеток разрушающих кислорода к критическому значению (которая зависит от скорости потребления кислорода клетками) .
7. Продукт отделения - комплексный подход
Комплексной стратегии продукта удаление может предложить ряд преимуществ, включая улучшение экономики. Непрерывное удаление продукта, а в случае спиртового брожения, предотвращает деактивацию микроорганизмов. Такая стратегия также идеально подходит для организмов, которые обладают продукта торможения. Сотовый разделения и рециркуляции жидкости приводит к увеличению расхода промыть, как указано ниже:
D =
где / доля повторно. Таким образом, клетка удаления следуют утилизации могут быть полезны для обработки больших количеств материала.
Мембранные биореакторы сохранить биомассы и разрешить только жидкие продукты проходят через разделение среды. Погружные биореакторов мембраны, в котором мембрана погружена в реагента среды, можно выборочно сохранить жидких продуктов, содержащих биомассу. Такие реакторы имеют хорошие возможности для применения в стоков.
8. Реактор выбор
Как правило, перемешивали-танка, которая включает единообразия концентраций и температур в реакторе, является предпочтительным в качестве лаборатории хемостат. Но в промышленных масштабах, реактор выбор на основе множества условий эксплуатации.
Механически смешения является предпочтительным для крупномасштабных операций, а вместе с полу-серии (надоело партии) реактора, имеет то преимущество, работающих на низком уровне подложки, которая, как правило, необходимые для выражения желаемого белков. Газо-взволнованный реакторов, таких, как мыльный пузырь колонн и воздушных реакторов, зачастую предпочтительнее, поскольку конструкция проста и Есть нет движущихся частей. Как правило, они задаются, когда газ в жидкость массового скорость передачи не является лимитирующим, или когда требования по питанию для механического взволнованный реакторов высокой из-за больших размеров реактора требуется.
В особых случаях, если загрязнение и падение давления являются управляемыми, в организме могут быть поставлены на прикол или выращены на структурированных упаковки или монолит, обеспечивая упакованы кровать конфигурации. Такие реакторы используются в основном для биообработки отходящих газов и жидкостей в эколого-обработки.
Эксперименты, проведенные на глюкозе производства кислоты Aspergillus Нигере оказались равными поколение продукта в воздушных и перемешивали танк реакторов (7), в то время как производство целлюлозы fumigatus А. лучше в воздушных биореактора. Воздушные перевозки являются подходящими для умеренных растительной клетки плотности, т. е. 10-15 г / л по сухому весу, и считаются непригодными для плотностью более 20 г / л из-за проблем, связанных с перемешивания и переноса кислорода. Очень большие различия в неомицина производства наблюдалось с мутантным штаммом Streptomyces marinenxix NUV 5 случаях, когда реакция была проведена в перемешивают танков, упакованный кровать, в кипящем слое и воздушных реакторов. Продуктивности были 7135, 1353, 6923 и 7435 мг / л, соответственно. Проблема переноса кислорода в вязкие бульон в пенициллин производства нитевидные сЬгузо гриба П. была решена, что они выращивают в башне контура реактора (а не в обычных биореактора перемешивают цистерны), что привело к высокой удельной продуктивности (8 ).
Реактор выбор основывается также на кинетику реакции. Перемешивали танк реактор предназначен для субстрата реакции торможения, а плагин потока дизайн подходит для Михаэлиса-Ментен кинетики, а также для продуктов реакции торможения. Плагин потока дизайн предпочтительнее, чем взволнован Tor конструкции реактора первого и второго порядка реакции. Тип организма и реакции среды также влияет на реакторе конфигурации.
9. Агитатор scaleup
Несколько методов scaleup практикуют бродильных производств для разработки агитаторов. К ним относятся постоянной мощности в объеме жидкости, постоянный коэффициент массоотдачи, с постоянной скоростью отзыв и постоянной концентрации растворенного кислорода в бульоне. В таблице 1 приведены доли бродильных производств с помощью этих критериев (9).
Scaleup методологии, основанной на скорости диссипации энергии или равна скорости крыльчатки отзыв не были действительными в качестве меры гиф ущерба и производительность для роста сЬгузо пенициллина. Тем не менее, результаты были успешно коррелировала на основе скорости кровотока через крыльчатку зоны. Джастен и др.. (10) прибыл к аналогичным выводам на основе исследования, которое использовали ферментеров различных размеров с различными типами рабочих колес. Scaleup линоленовой кислоты с Mortierella ramanniana в гранулированных морфологической формы была успешно проведена при равенстве скоростей крыльчатки верхушка скорость как на экспериментальных и производственных масштабах.
10. Вентиляционные ставки и накопление СО2
Необходимые кислород подается микроорганизмов за счет аэрации. Таким образом, конструкция реактора для правильного потребления кислорода имеет решающее значение. Неправильно аэрации может привести к истощению клеток. Параметры для рассмотрения в ходе scaleup являются реактора высоты к диаметру, всего газ, протекающий вверх и скорость, с которой кислород переносится. Если вентиляция не является правильным, воздушные карманы может развиться вокруг лопастями (11). Микробы будет время от времени проходят через зоны низкой концентрации кислорода, а также времени, необходимого для проходят с низким содержанием кислорода концентрации зоны увеличивается с реактором scaleup.
Аэрация необходима не только для мобильных средств к существованию, но и диск СО2 из средне-и держать низкие токсичность и держать концентрации СО2 в потоке газа низкого выхода, с тем чтобы добиться больших движущей силой его десорбции с жидкой среде. Чрезмерная концентрация СО2 в среде осмоляльности увеличивается (т \ е токсичных уровень СО2 на 15-20%). Превышение СО2 также требует добавления большего количества базы для средне-и поддержания рН. Чтобы содрать СО2 в достаточной мере, быстрый расход воздуха должен быть использован, которая также сохраняет концентрации СО2 в воздухе низким выходом. , что позволит достичь большой движущей силой. В высокой плотности культуры с участием приблизительно 107 клеток / мл, O2 и CO2 поглощения номера удаление может быть около 5 ммоль / л. Последняя определяется как:
СО2 скорости удаления = (Q / V) (P / RT) (HC ^ югу L ^ - C ^ югу F ^) (10)
где Н константы Генри; C ^ югу L ^ и С ^ ^ к югу Р концентрации СО2 в жидкой фазе, так и подачи газа реактора: R-газовая постоянная: P реактора, а Т-температура . Как правило, к югу C ^ F ^ примерно нулю. Скорость газа в крупномасштабных операций низком уровне, чтобы избежать вспенивания жидкости, которое может привести к уменьшению коэффициента Q / V от малых до больших систем, и, следовательно, увеличение C югу ^ L ^.
Высокое парциальное давление СО2 в течение партии роста Нигера А. увеличению средней длины гиф и средней длины отрасли, подавляет производство пенициллина и снижает кажущейся вязкости. Таким образом, лучше переноса кислорода проявляется в суспензии П. сЬгузо благодаря повышению синтеза хитина (12). Превышение хитина, входящего в состав клеточной стенки, повышает пластичность клеточных стенок и, следовательно, реология брожения бульон.
11. Агитация против изменений в морфологии клеток
В непрерывного культивирования бактерий Corynebacterium glutamicum в перемешивают биореактора взволнован на 410 и 1200 об / мин и газированные на 1 и 3 ФТИ, профили роста клеток оставалась неизменной и не повредить клеточную мембрану не наблюдалось. При высоких агитации и интенсивности аэрации, камеры были мелкие и неправильной формы, из-за неравномерного накопления компонентов клеточной стенки, вероятно, для защиты их клетки от высокой силы сдвига. Морфологические различия Нигера А. наблюдались в экспериментальных масштабах смешения биореактора. Было установлено, что низкие показатели сдвига привело к образованию гранул слабее, а выше сдвига, в сочетании с большим диаметром ячеек, привело к компактным сферических гранул (12).
Длина мицелия, а число активно развивающихся советы (по ветвления) экспоненциально возрастает при unconstricted условиях. Но высокий сдвига приводит к фрагментации мицелия, кусочки из гиф от наружной поверхности гранул служат как новых центров роста биомассы. Это явление было отмечено во время глубинного культивирования. Порой гиф ущерб также может привести к цитоплазме освобождения.
Размер гранул и пористость Aspergillus Азр оказались обратно пропорциональна удельной скорости диссипации энергии. Конкретные темпы роста и общей концентрации биомассы Penicillium сЬгузо увеличились с волнением интенсивности, а конкретные образования продукта в целом была выше на более низких скоростях крыльчатки.
12. Знание микробиологии и энзимологии
В процессе роста клеток, реактор размер влияет и на несколько поколений, необходимых для достижения конечной концентрации биомассы, а также концентрации варианта видов. Число поколений, N ^ ^ г к югу, необходимых для достижения окончательной концентрации биомассы X, начиная с известным числом клеток в оригинале посевного материала, к югу X ^ о ^, является функцией конечного объема ферментера, V, при экспоненциальном росте условия (12):
N ^ к югу г = 1,44 (Л. Н. Л. Н. V X - Л. X ^ о ^ к югу) (11)
Скорость появления вариантов, выражается в количестве вариантов, образующихся на геном на поколение, а доля родительских организмов после югу N ^ ^ г поколений, будут:
... (12)
Обратитесь к номенклатуре таблице в начале этой статьи Tor определения всех терминов.
Поскольку сотовая сеть, является очень сложным, клетки в конечном итоге может адаптироваться к окружающей среде. Однако, они могут работать очень медленно, а также непредсказуемо. Время ответа будет сочетание самых различных постоянных времени различных подсистем, самый длинный из которых может длиться несколько часов. Когда клетки выращиваются в разведении тесном ставка промыть, они медленно адаптироваться к этому состоянию, увеличив их к югу Аналогичным образом, снижение уровня глюкозы в течение короткого периода времени может вызвать голод реакцию, которая приводит к потере плазмид - генетических ответ, который носит необратимый характер. Динамика переходных реактора могут быть смоделированы, но не много известно о регуляторной сети микроорганизмов. Дикого типа Aspergillus деформации, используемых в производстве
13. Реактор нижней оформление
Агитатор место в реакторе нижней влияет на время смешивания, а также газо-жидкостной коэффициент массоотдачи. Если зазор велик, оседание биомассы наблюдается, а если агитатор расположен слишком низко. осевого смешивания оставляет желать лучшего. В таких случаях, несколько осевых мешалки могут потребоваться.
Кроме того, расположение концентрических трубки в воздушных реактор снизу оказывается влияет на рост клеток и производство suponin женьшеня и полисахаридов в федераль-партии культивирования клеток Panux notoginseng. При малых зазоров снизу, газ-жидкость массопереноса и переноса кислорода ставки ограничивают степень реакции. При больших зазоров, сотовые осадков наблюдалось (13).
14. Субстрат потребления, производство биомассы и продуктов образования
Простой модели, касающиеся потребления субстрата, биомассы, производства и образования продукта приводится ниже. Некоторые брожения системы последующей этого типа поведения:
-D [S] / DT = (1 / Y ^ S ^ к югу) D [X] / DT (13)
D [P] / DT = (1 / Y ^ югу р) D [X] / DT (14)
где. [S] и [P] являются концентрации субстрата и продукта, соответственно, K = граммов клеток, образующихся на грамм субстрата потребляются, а Y = граммов продукта, образующегося на грамм ячейки, образованные. Выход коэффициенты считаются постоянными в ходе процесса (часто называемые "связанные с ростом" процесс). Глюконовой кислоты из глюкозы в Нигере Aspergillux является типичным примером такого поведения. Тем не менее, простые поведения, не всегда соблюдаются. Так, например, лимонной кислоты экспонатов различных значений Y югу ^ S ^. Продукт образования может проявлять некоторое время, и к югу Y ^ р может оказаться нулевым, максимальная продукта образуется, когда объем биомассы является низким.
Клеточный рост и формирование продукта колебаться в серийное производство пенициллина из сахара под постоянным добавлением сахара. Колебательные кинетического поведения NADH2 в интактных клетках дрожжей (Saccharomyces carlsbergensis) в анаэробных условиях в течение поглощения глюкозы также не наблюдается. NADH2 выступает в качестве донора водорода в метаболизме глюкозы, проведение водорода и обратно реакций, катализируемых glyceraldehydes, 3-фосфат dehydrogenease и алкогольдегидрогеназы.
В других случаях, Lactobacillus plantarium выращенных на средах, содержащих глюкозу и дрожжевого экстракта выставлены различные выход фактор, в зависимости от окружающей среды. Максимальный рост урожайности на основе экстракта дрожжей потребление 0,5 г сухого веса / г, тогда как в дрожжевого экстракта ограниченными культуры, роста урожайности увеличивается с разбавлением скорости (14).
Истощение брожению сахар [S] (г / л) и превращение его в молочную кислоту [L] (г / л) может быть смоделирована как:
-D [S] / DT = (1 / Y ^ S ^ к югу) D [X] / DT югу м ^ S ^ [X] (15)
D [P] / DT =- (1 / Y ^ югу зр ^) и [S] / DT (16)
, где Y ^ S ^ к югу является выход клеток коэффициент (в граммах ячейки сухой массы на грамм глюкозы); югу м ^ S ^ является поддержание коэффициента (в граммах на грамм глюкозы клеточных сухой массы в час), и Y ^ ^ к югу зр это выход коэффициент для производства молочной кислоты (г молочной кислоты в г глюкозы). По Ndon и др.., Для Л. sakei КТК 494, Y ^ S ^ к югу и к югу м ^ с ^ зависит от температуры и кислотности. Y ^ югу зр ^ постоянна и равна 1,0 г / г (15).
15. Динамические операции
Как правило, ферментеров работают под люком или fedbatch режиме, в котором концентрация субстрата уменьшается, а концентрация продукта с течением времени увеличивается, что приводит к непрерывному изменению в реакционной среде с течением времени. Это приводит к непредсказуемому поведению, в отличие от операционной среды устойчивого состояния.
Для биологических приложений очистки сточных вод, последовательного реактора партии (SBR) набирает популярность в качестве альтернативы традиционным методам лечения, в связи с его простотой, гибкостью эксплуатации и экономической эффективности. Этот реактор работает в циклы, состоящие из различных этапах работы, таких, как заполнить / рисовать, реагировать, решать, выполнять и без дела. Реакция может состоять из аэрации и / или не аэрации фаз. Выполнять шаг состоит из частичных разрядов.
Было отмечено, что во время лечения красителя и текстильные отходы, SBR работает лучше, чем простой периодический или непрерывный реакторов в связи с уменьшением химического и биологического оружия требует кислорода. Деградация полигалогенированные соединений было достигнуто путем чередования долгое анаэробных условиях, вставил короткими низкого напряжения кислорода, аэробные / метанотрофных мини условий. Непрерывный или прерывистый смешивания производится, чтобы решения биомассы (16).
ЛИТЕРАТУРА
1. Wong, И. и др.. ", Scaleup ферментации для производства Antigen K88, выраженные в E.coli," Процесс Биохимия, 38 (9), с. 1295-1299 (апрель 2003).
2. Kilonzo П. М. и А. Маргаритис, "Влияние неньютоновских брожения Отвар Вязкость и небольшой пузырек сегрегация по кислорода массообмена в Газлифтная биореакторах: Критический обзор", журнал биохимическая инженерия), 17 (4), стр. 27 -40 (2004)
3. Daffonehio Д., Thaveesri, J., и Verstraete, W., "Контакт измерения угла и клеточной гидрофобности зернистых Осадок от Восходящий анаэробные реакторы осадка Bed," Прикладная и экологическая микробиология, 61 (10), с. 3676-3680 ( октябрь 1995).
4. Лейба, ТМ и др.. ", Биореакторах: перспективы химической инженерии," Химическая технических наук, 56, с. 5485-5497 (2001).
5. Роелс, JA, и др.., "Реология мицелиальные Бульоны," Biotechnol. Bioeng, 16, с. 181-208 (1974).
6. Ким, И. Н. и др.., "Сравнительное изучение на реологические свойства мицелиальные бульон в виде шариков и нитчатых форм", Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol, 18, с. 11-16 (1983).
7. Трагер, М., и др.., "Сравнение прямого окисления глюкозы в oxydans Gluconobacter subsp. ЗиЬохуйапз и Aapergillus Нигер в пилотных воздушных перевозок" Реактор "," J. закваски. Bioeng, 68, с. 274-281 (1992).
8. Поллард, DJ, и др.. ", Sacchamyces cerevisiae ферментации в пилотных воздушных биореакторов: Сравнение воздуха Спаргер Конфигурации", Биопроцессов, 15, с. 279-288 (1996).
9. М. Mavituna, F., "Стратегии биореакторов Шкала деятельности", в "компьютерных и информационных наук Применение в Биопроцессов", Морейра, Р. и К. Уоллес, ред., Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды, стр. 125. -142 (1996).
10. Джастен, П. и др.., "Зависимость мицелиальные Морфология на Тип крыльчатки и агитации интенсивности", Biotechnol. Bioeng, 52, с. 672-685 (1996).
11. Asenjo, JA, и JC Merchuk, "Разработка системы биореакторов", Marcel Dekker, Inc в Нью-Йорке (1994).
12. Znidarsic, П. и А. Pavko, "Морфология мицелиальных грибов в подводном культивирования, как Биопроцесс" Параметр ", продовольствия. Technol. Biotechnol, 39 (3), с. 237-252 (2001).
13. Ху, У., JJ Чжун, "Эффект очистки донных о выполнении воздушных перевозок в биореактор высокой плотности культуры клеток Panax notoginseng" Журнал Bioscience и биоинженерии, 92 (4), с. 389-392 (2001)
14. Каск, С. и др. /., "Изучение ростовых характеристик и питательных веществ Потребление Lactobacillus plantarum в-Stat Культура", Антони ван Левенгук, 75 (4) с. 309-320 (1999).
15. Лерой, Ф. и Л. Де Vuyst, "Рост-бактериоцин Производство Lactobacillus sakei Штамм КТК 494 в MRS Бульон с сильно снижается из-за питательных Hxhaustion: питательных веществ модель роста молочнокислых бактерий". Прикладной и экологической микробиологии, 67 (10), с. 4407-4413 (октябрь 2001)
16. Ndon, UJ, А. А. Randall, "Периодические пористый Лечение и на месте Биоремедиация Стратегии ПОЛИГАЛОГЕНИРОВАННЫЕ соединений", Wat. Рез., 33 (11), с. 2715-2720 (1999).
Мукеш Doble
ИНДИЯ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЙ
Мукеш Doble является доцент кафедры биотехнологии в Индии Института Технологий (ИИТ; Мадрас, Ченнаи-600036, Россия, тел: 91-44-2257-8243; Электронная почта: <A HREF = "mailto: mukeshd @ iitm.ac.in "> mukeshd@iitm.ac.in </ A>). До своей работы в ИИТ, Добл занимал должности в технологических центров в Индии и ICI GE Индии, всего 20 лет. Добл является автором более 90 технических публикаций и соавтором трех книг, включая "Гомогенный катализ: Приборы и промышленного применения", John Wiley и "биотрансформаций и биологические процессы", Марсель Деккер. Он имеет B. Технология и М. Технология степеней в области химического машиностроения UT Мадрасе, а также кандидат Университета Астон в Бирмингеме, Великобритания Добл является членом AlChE и Индийским институтом инженеров-химиков.
