Оценка параметров процесса культивирования дрожжей в инокуляторе с мембранным устройством подвода газового питания

УДК 663.1.

М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева,

Д. С. Виноградов, В. М. Емельянов

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ В ИНОКУЛЯТОРЕ С МЕМБРАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ПОДВОДА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ

Ключевые слова: Инокулят спиртовых дрожжей, питательная среда, условия и технологические показатели

процесса.

Для исследования и отработки режимов выращивания инокулята и посевного материала разработан лабораторный биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания. Проведены биотехнические испытания. Определены технологические показатели процесса в стационарном режиме.

Key words: Alcohol yeast inoculum, a nutrient medium, conditions and technological parameters of process.

For research and testing of the growth regimes of inoculum and starter developed a laboratory displacement bioreactor with membrane device for admission and sterilization gas supply. Biotechnical tests of inoculator were carried out. Technological parameters of the process in steady state are determined.

Для исследования и отработки режимов выращивания инокулята и посевного материала разработан лабораторный биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания, не содержащий сальниковых устройств или других механизмов герметизации ввода механической энергии. Однако, возникают проблемы распределенного контролируемого ввода компонентов газового питания и части жидкостных потоков, отвода метаболического тепла и др., которые крайне сложно разрешимы для аппаратов сравнительно большого объема. Но для аппаратов малого геометрического размера - лабораторных и пилотных биореакторов, инокуляторов отделений приготовления чистых культур эти проблемы не столь значимы [1].

Вследствие отсутствия перемешивающего устройства, биореактор вытеснения может быть предельно заполнен мембранными элементами. Таким образом, удельная поверхность мембраны в 2 - 3 раза превышает величину, достигаемую в существующих моделях аппаратов перемешивания с мембранными устройствами подвода газового питания. Рациональное размещение патрубков трубчатых мембран позволило увеличить удельную поверхность мембран до 155 м /м [2].

Отбор образующегося углекислого газа производится из штуцера, расположенного в верхней части аппарата. Газожидкостная смесь поступает в циклонное устройство разделения, из которого газовый поток подается на барабанный счетчик, снабженный датчиком положения стрелки прибора. Далее культуральная жидкость возвращается в аппарат. Отбор жидкости с нижней части аппарата происходит по уровню. Измерение концентраций водородных ионов и растворенного кислорода производится в рециркуляционном контуре, время пребывания потока в котором при движении жидкости от аппарата до измерительной ячейки не превышает 6 секунд.

Для исследования и отработки режимов выращивания инокулята были использованы спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae раса 1986. В качестве подушки использовалась синтетическая среда Ридер с концентрацией РВ 2 % масс. Процесс наращивания концентрации биомассы в периодическом режиме составил 10 - 12 часов. После чего включалась подача питательной среды с заданной скоростью. В модельных экспериментах для реализации непрерывного режима нами использовалась обогащенная сахарами среда Ридер с концентрацией РВ 6,48% мас.

Переходный процесс продолжался в течение 48 часов, после чего наблюдался стационарный режим, показания всех параметров колебались около средних значений. При этом расход титранта стабилизировался. Ввод титрующего агента, во избежание возникновения локальных зон с неблагоприятными для культуры дрожжей уровнями рН, осуществлялся параллельно в три точки инокулятора через равные интервалы по высоте с помощью капиллярных штуцеров.

Для соблюдения параметров технологического процесса (оптимальных значений температуры и рН культуральной жидкости) инокулятор снабжен системой управления, позволяющей управлять процессом как в ручном режиме, так и в автоматическом, задавая параметры протекания процесса с помощью управляющей программы. Разработанная компьютерная система управления реализована в SCADA-системе с использованием программного обеспечения GENIE 3.04 [3]. Управление подачей кислорода в расходный ресивер осуществлялось по данным измерения абсолютного давления. При срабатывании кислорода до минимального заданного значения давления, автоматически открывался клапан на линии подачи и давление кислорода в расходной емкости восстанавливалось до уровня заданной уставки. При этом формировался массив данных замеров рН и давления кислорода с дискретностью 30 секунд.

В ходе всего процесса осуществлялся отбор проб ежечасно по 30 мл и анализировалось содержание РВ, измерялась оптическая плотность культуральной жидкости с помощью фотоэлектрокалориметра КФК-2 при разведении 1:20 и длине волны 590 нм.

Для расчета концентрации биомассы по данным замера оптической плотности инокулята были проведены прямые определения содержания сухой биомассы путем высушивания отмытой на фильтре пробы объемом 10 мл при 105°С до постоянного веса. Данные анализов сведены в таблицу 1.

Таблица І - Определение коэффициентов формулы пересчета оптической плотности

№ п/п Масса фильтра, г Масса фильтра с биомассой, г Биомасса, г Оптическая плотность фильтрата Оптическая плотность инокулята Оптическая плотность, определяемая биомассой

1 0,4237 0,4б19 0,0382 0,1 б2 0,415 0,2545

2 0,3973 0,4344 0,0371 0,1 бЗ 0,405 0,2445

3 0,4241 0,4б58 0,0417 0,1б 0,41 0,2495

4 0,439 0,47б2 0,0372 0,157 0,43 0,2б95

5 0,44бб 0,48б9 0,0403 - 0,44 0,2795

Усредненные значения 0,0389 0,1 б05 - 0,2595

Концентрация биомассы, г/л 3,89

Коэффициент пересчета ОП в концентрацию биомассы составил 14,9904 г/л. на 1 ед. экст.

Округлив полученные коэффициенты, получили формулу пересчета: X = 15 • (ОП -

0,1б).

Технологические показатели стационарного режима

Поскольку строгой стационарности процесса выращивания инокулята добиться невозможно по причине колебательного характера ввода кислорода, режим выращивания инокулята может быть только квазистационарным (табл. 2). Время указано в часах от начала

стационарного режима. В ходе всего процесса с достаточной точностью поддерживались следующие параметры: температура в инокуляторе в промежутке 29,5 - 30,35 °С, рН культуральной жидкости 5,35 - 5,49 ед.рН; температура газа на выходе из ГСБ-400 27,1 -27,4°С. Остаточная концентрация сахаров составляла 0,05 - 0,09 % мас., т.е. сахара потреблялись практически полностью. Рабочий объем аппарата (объем жидкой фазы) составляет 1,0 - 1,05 л.

Таблица 2 - Колебания параметров в квазистационарном режиме выращивания инокулята

Время, час Показания ГСБ, л Давление кислорода, ати Концентрация кислорода в выходном газе, % об. Оптическая плотность инокулята Проток (слив), г/час

0 4,04 0,45 5,706 0,49 75,07

1 4,37 0,45 5,978 0,455 80,3

2 4,53 0,441 6,250 0,446 47,67

3 4,80 0,450 6,114 0,501 56,50

4 5,06 0,460 5,978 0,438 66,04

5 5,33 0,460 5,978 0,500 67,54

6 5,52 0,455 6,386 0,520 55,78

7 5,80 0,455 6,386 0,520 57,00

8 6,04 0,455 6,386 0,435 65,70

9 6,16 0,460 6,386 0,435 52,58

10 6,50 0,450 6,521 0,445 59,30

11 6,70 0,441 7,880 0,465 52,72

12 6,87 0,440 8,016 0,432 69,10

13 7,00 0,440 7,200 0,450 54,28

14 7,12 0,438 7,337 0,415 44,65

15 7,26 0,440 7,337 0,420 59,04

16 7,47 0,441 7,065 0,460 56,30

Среднее: 0,214 л/ч* 0,449 6,641 0,460 59,97

* Расчетная скорость выходного газового потока, л/час.

Рассчитав показатели технологического процесса выращивания инокулята в непрерывном режиме при среднем избыточном давлении кислорода в полости мембраны

0,0449 МПа, определили парциальное давление кислорода в выходном газовом потоке (и в аппарате) равное: Рх = 0,0664 атм.

По данным проведенных измерений сульфитного числа (рис.1), определили величину максимальной скорости транспорта кислорода К» 0,257 гО2/л-ч-атм и реальную скорость потока кислорода через мембрану в процессе выращивания инокулята при объеме жидкости 1 л: Ко = 0,355 гО2/час.

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Избыточное давление кислорода, ати

Рис. 1 - Зависимость сульфитного числа от избыточного давления кислорода в полости мембраны

Пренебрегая незначительными колебаниями давления в ресивере, определяемая величина потока кислорода на выходе из аппарата составила 0,0185 г/ч, а потребление кислорода микроорганизмами ~ 0,33 гО2/л-ч.

Продуктивность инокулятора по биомассе в непрерывном режиме с учетом средней плотности жидкой фазы около 1,03 г/мл составила: Px = 0,262 г АСБ/л-ч, а расходный

коэффициент по кислороду составил: Yo/x = 1,26 гО2/гАСБ.

Литература

1. Мухачев, С.Г. Биотехнологический комплекс учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения /

С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М.

Буйлин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №5. - С. 21 -26.

2. Шавалиев, М.Ф. Лабораторный реактор вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев // II Всерос. студ. науч.-технич. конф. «Интенсификация тепло - массообменных процессов, промышленная безопасность и экология»: докл. - Казань: Бутлеровское наследие, 2007. - С. 45.

3. Виноградов, Д.С. Системный подход в основе разработки эмулятора лабораторного химикотехнологического комплекса/ Д.С.Виноградов, С.А.Понкратова, В. М.Емельянов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №3. - С. 472 - 478.

© М. Ф. Шавалиев - асп. каф. химической кибернетики КГТУ; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лаб. «Инженерные проблемы в биотехнологии» каф. химической кибернетики КГТУ;

Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц., программист каф. химической кибернетики КГТУ; Д. С. Виноградов - асп. той же кафедры; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ, emelianov@kstu.ru.