Žemės ūkis ir ateities maisto sistemos · Straipsnis

Bioreaktoriai, maišymas ir dujų pernaša

Sekite deguonies kelią nuo dujų tiekimo šaltinio iki augančios kultūros ir susiekite talpos konstrukciją, maišymą, aušinimą bei valomumą su procesu, kurį įranga turi užtikrinti.

Pasirengimas ir susiję straipsniai

Bendrieji žinių pagrindai

Straipsnis padės

Atskirti į talpą tiekiamas dujas nuo dujų, kurios pereina į joje esantį skystį ir yra sunaudojamos organizmų.
Interpretuoti paprastą deguonies pernašos balansą su aiškiai apibrėžtais dydžiais, vienetais ir prielaidomis.
Susieti maišymą, aeravimą, šilumos šalinimą ir valomumą su konkrečios kultūros poreikiais.
Paaiškinti, kodėl vien laboratoriniai rezultatai ar maišymo greitis negali patvirtinti didesnės gamybos sistemos tinkamumo.

Talpa užtikrina konkretų biologinį procesą

Įsivaizduokite, kad inde gaminamos maistinės mielės. Ląstelėms reikia tinkamų anglies šaltinių ir mineralinių maisto medžiagų, vandens bei tinkamų proceso sąlygų. Skysta augimo terpė kartu su kultūra dažnai vadinama kultūriniu skysčiu. Aerobiniame biomasės gamybos procese taip pat būtinas deguonies tiekimas. Vamzdis, kuriuo į indą tiekiamas oras, padeda, tačiau vien tai, kad dujos pateko į įrenginį, nereiškia, jog ląstelės gauna deguonies.

Kepimo mielės Saccharomyces cerevisiae yra praktiškai patikrintas maisto gamybos pavyzdys. Jų augimo sąlygos ir anglies šaltinių tiekimas taip pat svarbūs: deguonies tiekimas negarantuoja, kad visas tiekiamas cukrus bus panaudotas kvėpavimo metabolizmui. Esant tinkamoms sąlygoms ir didelei gliukozės koncentracijai, šios mielės gali gaminti etanolį net ir esant deguonies. Įrangą ir biologinio proceso vykdymą reikia vertinti kartu.

Ankstesniuose straipsniuose apie fermentaciją ir mikrobinį baltymą aprašomi organizmai, substratai ir naudingi produktai. Šiame straipsnyje įranga priskiriama Inžinerijos sričiai ir taikomi bendrieji Pagrindai, susiję su tvermės dėsniais, energija ir šilumos perdavimu. Jame nagrinėjamas aerobinio proceso dujų perdavimo pavyzdys; kitų kultūrų ir procesų dujų poreikiai gali skirtis.

Dujų tiekimas ir ištirpęs deguonis – skirtingi dydžiai

Dujų ir skysčio sistemoje auginamoje kultūroje deguonis pereina dujų ir skysčio fazių sąlyčio paviršių, ištirpsta skystyje ir juda per jį link ląstelių. Burbuliukų pasiskirstymas, cirkuliacija ir kultūrinio skysčio fizikinės savybės veikia šiuos etapus. Dalis tiekiamų dujų gali pasišalinti iš indo, jų deguoniui nepatekus į kultūrą.

Aeracija tiekia dujas. Maišymas judina skystį ir gali išsklaidyti burbuliukus. Jų poveikiai susiję: pakeitus maišyklės sparnuotę (besisukantį maišymo elementą), dujų srautą, slėgį ar kultūrinio skysčio savybes, gali pakisti dujų perdavimas ir galios sąnaudos. Per valandą tiekiamų dujų tūris, ištirpusio deguonies koncentracija ir per valandą sunaudojamo deguonies kiekis apibūdina skirtingas šios apskaitos dalis.

Ištirpusio deguonies rodmuo taip pat susijęs su matavimo vieta ir metodu. Vienoje didelio indo srityje esantis jutiklis gali neatskleisti visų vietinių sąlygų. Taikykite tinkamą kalibravimą ir remkitės proceso stebėjimais, užuot vieną skaičių laikę įrodymu, kad kiekviena ląstelė yra vienodoje aplinkoje.

Atskirai registruokite su deguonimi susijusius duomenis
Dydis	Ką jis apibūdina	Ko dar reikia
Tiekiamos dujos	Per nurodytą laikotarpį į indą patenkančios dujos	Sudėtis, sąlygos ir faktinė pernaša tarp dujų ir skysčio
Ištirpęs deguonis	Deguonies koncentracija skysčio srityje, kurioje atliekamas matavimas	Kalibravimas, matavimo vieta ir laikas bei kultūros poreikiai
Deguonies pernašos greitis	Į skystį per laiko vienetą patenkantis deguonies kiekis, tenkantis tūrio vienetui	Kultūrinio skysčio savybės, dujų sąlygos ir pernašos modelis
Deguonies suvartojimo greitis	Kultūros per laiko vienetą suvartojamas deguonies kiekis, tenkantis tūrio vienetui	Organizmas, biomasė ir veikimo sąlygos

Palyginkite pernašą su dabartiniu kultūros poreikiu

Supaprastintu gerai išmaišyto skysčio atveju dažnai taikoma perdavimo išraiška yra OTR = kLa × (C* − CL). OTR yra deguonies perdavimo greitis skysčio tūrio vienetui. C* yra ištirpusio deguonies koncentracija, atitinkanti pusiausvyrą su tiekiamomis dujomis nurodytomis sąlygomis, o CL yra esama ištirpusio deguonies koncentracija skystyje. Šių koncentracijų skirtumas yra perdavimo varomoji jėga.

Dydis kLa yra tūrinis masės perdavimo koeficientas, apimantis perdavimą skysčio pusėje ir prieinamą fazių sąlyčio paviršiaus plotą skysčio tūrio vienetui. Jo matavimo vienetai yra atvirkštiniai laiko vienetams. Jis priklauso nuo įrangos ir naudojamo skysčio; tai nėra universalus skaičius, taikomas kiekvienam bioreaktoriui. C* priklauso nuo dujų ir skysčio sistemos, temperatūros ir dujų dalinio slėgio, todėl grynam vandeniui nustatytos vertės negalima tiesiog priskirti realiai kultūrinei terpei.

Toliau pateiktame pavyzdyje skysčio tūris yra pastovus, o kitų ištirpusio deguonies įtekėjimo ir ištekėjimo srautų bei praskiedimo nepaisoma. Tarkime, iliustraciniu momentu kLa = 20 h⁻¹, C* = 8 mg/L ir CL = 3 mg/L. Pagal šią išraišką gauname 20 × (8 − 3) = 100 mg/(L·h). Jei kultūros deguonies suvartojimo greitis yra 120 mg/(L·h), pagal supaprastintą deguonies balansą skystyje bendrasis koncentracijos kitimo greitis tuo momentu yra −20 mg/(L·h): deguonies koncentracija mažėja.

Tai momentinė būklė, o ne laiko iki deguonies išsekimo skaičiavimas. Kintant CL, keičiasi ir varomoji jėga bei perdavimas. Esant tam pačiam idealizuotam pastoviam koeficientui, pusiausvyrinei koncentracijai ir suvartojimo greičiui, CL = 2 mg/L reikštų, kad perdavimas atsveria suvartojimą, nes 20 × (8 − 2) = 120 mg/(L·h). Šis matematinis balansas nepatvirtina, kad 2 mg/L koncentracija yra tinkama organizmui arba kad realaus indo turinys yra vienalytis.

Hipotetinis deguonies balansas gerai išmaišytame skystyje
Įrašas	Vertė	Interpretacija
Tūrinis masės perdavimo koeficientas	20 h⁻¹	Tik šiam pavyzdžiui pasirinktas koeficientas
Pusiausvyrinė ir esama koncentracijos	8 ir 3 mg/L	Dabartinis jų skirtumas yra 5 mg/L
Dabartinė pernaša	100 mg/(L·h)	20 h⁻¹ × 5 mg/L
Dabartinis suvartojimas	120 mg/(L·h)	Hipotetinis kultūros poreikis
Momentinis pokytis skystyje	−20 mg/(L·h)	Pernaša minus suvartojimas pagal supaprastintą balansą

Pernaša, suvartojimas ir momentinis balansas

Visos vertės yra hipotetinės ir normuotos pagal tūrį. Rodyklių plotis nerodo spartos. Skystis gerai išmaišytas, jo tūris pastovus, o į kitus ištirpusio deguonies srautus ir skiedimą neatsižvelgiama; neigiama momentinė vertė nėra tiesinio deguonies išeikvojimo prognozė ar projektavimo specifikacija.

Skaityti schemos paaiškinimą

Pavyzdyje į skystį deguonis patenka 100 mg/(L·h) greičiu, o kultūra jį suvartoja 120 mg/(L·h) greičiu. Ištirpusio deguonies koncentracija iš pradžių kinta −20 mg/(L·h) greičiu, taikant gerai išmaišyto skysčio momentinės būsenos prielaidas.

Dalys

Pernaša: 100 mg/(L·h): 20 h⁻¹ × (8 − 3) mg/L
Skystis: CL = 3 mg/L: Momentinė gerai išmaišyto skysčio būsena, o ne erdvinio vienodumo garantija
Suvartojimas: 120 mg/(L·h): Hipotetinis dabartinis kultūros poreikis
Pradinis pokytis: −20 mg/(L·h): Koncentracija mažėja; tuomet keičiasi pernašos gradientas

Ryšiai

Pernaša: 100 mg/(L·h) → Skystis: CL = 3 mg/L: deguonis patenka
Skystis: CL = 3 mg/L → Suvartojimas: 120 mg/(L·h): deguonis sunaudojamas
Skystis: CL = 3 mg/L → Pradinis pokytis: −20 mg/(L·h): 100 − 120

Maišymas – projektavimo sprendimas, darantis keleriopą poveikį

Talpos forma, maišytuvo išdėstymas ir pertvaros (nejudantys paviršiai, nukreipiantys srautą) veikia cirkuliaciją ir galios poreikį. Maišymas gali padėti tolygiai paskirstyti maistines medžiagas, temperatūrą ir ištirpusias dujas, tačiau jo veiksmingumas priklauso nuo kultivavimo terpės ir veikimo sąlygų. Praskiestam skysčiui tinkamas nustatymas gali duoti kitokį rezultatą pasikeitus biomasės koncentracijai ar klampai.

Intensyvesnis maišymas savaime nėra geresnis ar pigesnis sprendimas. Ir maišymui, ir dujų tiekimui reikia energijos, o jų derinys turi tenkinti kultūros poreikius neperžengiant praktinių ribų. Mechaniniam maišymui ir dujų sukeltai cirkuliacijai naudojami skirtingi įrangos išdėstymo sprendimai; jų tinkamumą reikėtų vertinti pagal konkretų procesą.

Registruokite nagrinėjamam klausimui svarbius veikimo rodiklius, pavyzdžiui, maišymo pobūdį, pernašą, galią ir susidarančias kultūros sąlygas. Šių rodiklių nepakeiskite vien sukimosi greičiu. Įranga yra gamybos sistemos dalis, todėl jos naudingoji produkcija ir energijos sąnaudų ankstesniuose etapuose apskaita lieka susietos su straipsniais apie procesus.

Kultūra ir įranga taip pat keičiasi šiluma

Dėl medžiagų apykaitos gali išsiskirti šiluma, o skystyje išsklaidomas mechaninis darbas gali tapti papildomu šilumos šaltiniu. Dujų tiekimas, tiekiamos medžiagos, garavimas ir šilumos mainai su aplinka taip pat gali veikti šilumos balansą. Jų svarba priklauso nuo pasirinktos sistemos ribos ir sąlygų.

Apvalkalas, vidinis paviršius arba išorinis cirkuliacijos kontūras gali perduoti šilumą aušinimo sistemai. Šilumos perdavimo veiksmingumas priklauso nuo turimo šilumos mainų ploto, tekėjimo sąlygų ir temperatūrų skirtumų. Organizmui reikalinga veikimo temperatūra, aušinimo pajėgumas ir valdymo sistemos atsakas turi būti suderinti.

Hipotetiniame nusistovėjusios būsenos balanse 1,2 kW medžiagų apykaitos šilumos ir 0,3 kW veleno darbo, kultivavimo terpėje išsklaidomo kaip šiluma, reikėtų kompensuoti 1,5 kW grynąja šilumos šalinimo galia, jei tai vienintelės grynosios apkrovos ir sukaupta šiluminė energija nekinta. Veleno indėlis nėra tas pats, kas variklio vardinėje lentelėje nurodyta elektrinė galia. Prieš taikant tokį balansą realiai sistemai, reikia įtraukti kitus šilumos srautus arba aiškiai apskaičiuoti jų grynąjį poveikį.

Valomumas ir mastas – įrangos vertinimo dalis

Su maistu besiliečianti įranga turi būti pagaminta iš tinkamų medžiagų ir būti prieinama techninei priežiūrai, apžiūrai, valymui bei prireikus dezinfekcijai. Aptariant jos projektavimą reikia įvertinti jungtis, mėginių ėmimo vietas, sandariklius ir paviršius. Uždarytas dangtis ar vizualiai švari talpa neįrodo, kad maisto gamybos procesas yra kontroliuojamas; būtinos konkrečioms operacijoms pritaikytos procedūros ir jų vykdymo patikra.

Masto didinimas nėra vien talpos padidinimas. Gali keistis cirkuliacijos atstumai, dujų pasiskirstymas, galia tūrio vienetui ir šilumos mainai. Ląstelės gali patirti vietines koncentracijos ar temperatūros sąlygas, kurių vienas gerai išmaišytos terpės laboratorinis modelis neatskleidžia. Vienodo sukimosi greičio palaikymas nepatvirtina vienodo maišymo, pernašos ar biologinio veiksmingumo.

Prieš platesnį taikymą šias sąlygas galima nagrinėti atliekant bandomojo masto matavimus ir tinkamai suplanuotus sumažinto masto tyrimus. Laboratorinis demonstravimas, inžinerinis skaičiavimas ir išmatuoti gamybos veikimo rodikliai yra skirtingi įrodymų etapai. Įrangą lyginkite pagal jos faktinę naudingąją produkciją, energijos, priežiūros, infrastruktūros ir saugos reikalavimus, o ne darydami prielaidą, kad didesnė ar naujesnė konstrukcija savaime yra efektyvi.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Interpretuokite momentinius deguonies pernašos duomenis

Taikykite hipotetinį gerai išmaišytos pastovaus tūrio sistemos balansą, neatsižvelgdami į kitus deguonies srautus ir skiedimą: kLa = 20 h⁻¹, C* = 8 mg/L, CL = 3 mg/L, o deguonies suvartojimo greitis = 120 mg/(L·h). Kas tuo momentu vyksta su ištirpusiu deguonimi?

Dabartinė pernašos varomoji jėga yra 8 − 3 = 5 mg/L.
Pernašos greitis yra 20 h⁻¹ × 5 mg/L = 100 mg/(L·h).
Pernašos ir suvartojimo greičių skirtumas yra 100 − 120 = −20 mg/(L·h), todėl pagal šį supaprastintą balansą koncentracija iš pradžių mažėja.
Keičiantis koncentracijai, keičiasi ir gradientas. Jei visos kitos nurodytos vertės išliktų pastovios, esant 2 mg/L koncentracijai pernašos greitis būtų 20 × 6 = 120 mg/(L·h) ir atsvertų suvartojimą.

Momentinis įvertinimas rodo mažėjančią koncentraciją skystyje, o ne pastovų deguonies mažėjimo greitį. Idealizuota pusiausvyra esant 2 mg/L nėra nei biologinis tikslas, nei patvirtintas tikro bioreaktoriaus darbo taškas.

Užbaikite pateiktą šilumos balansą

Hipotetinė stacionariosios būsenos kultūra išskiria 1,2 kW metabolinės šilumos, o 0,3 kW veleno mechaninės galios kultivavimo terpėje virsta šiluma. Tai vienintelės grynosios šiluminės apkrovos apibrėžtame balanse. Kokia šilumos šalinimo galia jas atsveria?

Abu dydžiai yra galios, todėl juos sudėkite tuo pačiu pagrindu: 1,2 + 0,3 = 1,5 kW.
Esant stacionariosioms šiluminėms sąlygoms, kai sukaupta šiluminė energija nekinta, grynoji šilumos šalinimo galia turi atsverti 1,5 kW įnešamą galią.
Realiame balanse būtina įtraukti su dujomis, maitinimu, garavimu, aplinka ir kitais svarbiais veiksniais susijusius šilumos srautus arba įvertinti jų grynąjį poveikį.
Patikrinkite šilumos perdavimo sąlygas ir sistemos ribą, užuot laikę šį aritmetinį skaičiavimą aušinimo sistemos projektu.

Pagal supaprastintą balansą reikalinga 1,5 kW grynoji šilumos šalinimo galia. Šis balansas nenustato įrengtos aušinimo sistemos galios, energijos sąnaudų ar faktinių proceso rezultatų.

Pasitikrinkite supratimą

Jei į indą tiekiamas oras, ar visas jame esantis deguonis būtinai tampa prieinamas skystyje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne. Dujų tiekimas ir jų pernaša į skystį yra atskiri etapai.
Deguonis turi pereiti per fazių sąlyčio paviršių ir per skystį pasiekti ląsteles; dalis tiekiamų dujų gali pasišalinti neperdavusios savo deguonies.
Ar toks pat maišyklės sukimosi greitis didesniame inde įrodo, kad kultūros auginimo sąlygos yra lygiavertės?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne. Gali pasikeisti geometrija, cirkuliacija, galia, pernaša ir šilumos mainai.
Remkitės konkrečiam procesui skirtais matavimais ir tinkamais mastelio keitimo tyrimais, o ne vien sukimosi greičiu.
Ar hipotetiniame deguonies pavyzdyje apskaičiuotas 2 mg/L balansas yra rekomendacija visoms maistinėms mielėms?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne. Tai idealizuotas balansas, sudarytas pagal nurodytas skaitines vertes.
Organizmo poreikius, realią kultūrinę terpę, erdvinius skirtumus ir įrangą reikia įvertinti atskirai.

Svarbiausios mintys

Į indą patenkančių dujų kiekis, skystyje ištirpusių dujų kiekis ir mikroorganizmų įsisavinamas kiekis yra skirtingi dydžiai.
Pernašai apskaičiuoti reikia apibrėžtų sąlygų, suderintų matavimo vienetų ir aiškios modelio ribos.
Aeracija, maišymas ir biologinis procesas veikia vienas kitą; vien pagal vieną nustatymą negalima nustatyti bendro rezultato.
Projektuodami įrangą atsižvelkite į šilumos šalinimą, valymo galimybes, techninę priežiūrą ir energijos sąnaudas.
Didinant mastą reikia proceso duomenų; laboratorinio rezultato ar vienodo maišymo greičio nepakanka.

Šaltiniai

Šaltiniai, kuriais grindžiami straipsnio paaiškinimai ir pavyzdžiai.