Массопередача кислорода
Кислород клеткам требуется для окисления субстратов, тк в результате этого процесса клетка получает предшественники и энергию для клеточных синтезов (в первую очередь для синтеза целевого продукта). Кислород нужен для регенерации различных коферментов, нужен пока идёт рост биомассы и биосинтез целевого продукта
Проблемы в потреблении кислорода:
--Клетки потребляют только растворенный кислород
Растворимость кислорода – 6-8 г/м3 скорости потребления кислорода, следовательно кислород должен подаваться непрерывно
Потребление кислорода является лимитирующей стадией процесса
--Кислород подается со стерильным сжатым воздухом (потому что чистый кислород это дорого).
Переход кислорода из воздуха в клетку называется массопередачей кислорода.
Массопередача осуществляется в трехфазной системе:
Газ (воздух) --Жидкость (КЖ) --Твердое тело (клетка)
Есть 2 этапа массопередачи:
Растворение кислорода в культуральной жидкости (абсорбция)
Перенос кислорода из культуральной жидкости в клетку (потребление)
Все сопротивления, который проходит кислород из пузырька воздуха к клеточкам
Сам кислород-голубой кружочек
1 сопротивление-кислород преодолевает диффундируя в газовой фазе к границе раздела фаз(голубой круг), это сопротивление незначительное
2 сопротивление- у поверхности раздела фаз внутри пузырька газа образуется пограничная плёнка газа, сопротивление этой плёнки для труднорастворимых газов (кислород) достаточно мало(сопротивление незначительно)
3 сопротивление- с одной стороны газ, с другой стороны КЖ.
Если в среде нет ПАВ, то поверхность раздела фаз достаточно подвижна, те турбулентные пульсации, которые имею место при перемешивании КЖ не гасятся на такой поверхности и возникает межфазовая турбулентность
Если есть ПАВ, то они образуют на поверхности раздела фаз тонкий мономолекулярный слой, из-за этого поверхность раздела фаз становится неподвижной, межфазная турбулентность уменьшается и сопротивление резко возрастает, то есть в большинстве случаев сопротивление поверхности раздела фаз достаточно велико
4 сопротивление-на поверхности раздела фаз уже со стороны КЖ образуется тоненькая плёночка жидкости, толщина этой плёнки очень сильно колеблется и находится в пределах 1-100 микрометров при перемешивании. В этой плёнке жидкости сама жидкость не перемешивается и перенос кислорода через неё может происходить только за счёт молекулярной диффузии, а поскольку кислород плохо растворимый газ то его диффузия через эту плёнку чрезвычайно маленькая, поэтому сопротивление велико
Кислород выбрался из пузырька воздуха, преодолел все эти сопротивления все эти фазы поверхности раздела и попал в КЖ
5 сопротивление-сопротивление переноса кислорода через жидкость к клетке. Оно незначительно, потому что кислород турбулентно передаётся за счёт перемешивания путём конвекции
Далее кислород достигает клеток. Есть два варианта:
Если клетки растут одиночными, тогда 6 сопроивление. Вокруг клетки образуется неподвижный слой жидкости, через который кислород передаётся за счёт молекулярной диффузии, но толщина этой плёночки очень незначительна, тк клетки имеют небольшой размер, осуществляется перемешивание КЖ, также поверхность диффузии большая на 2-3 порядка больше, чем поверхность пузыря воздуха. Сопротивление мало
Если м/о растут в виде колоний, тогда 7 сопротивление. Плёнку жидкости вокруг колонии кислород преодолевает относительно быстро, то проникнуть внутрь колонии кислороду очень тяжело. Мицелий — это переплетённые между собой гифы, зазор между ними очень мал, в этих зазорах между гифами находится жидкость. Если колония достаточно велика, то жидкость внутри колонии перемешивается очень слабо, поэтому кислороду очень тяжело проникнуть внутрь этой колонии. Сопротивление велико, потому что кислород может передаваться только путём молекулярной диффузии
Сопротивление 8-оно не относится к диффузионным, определяется только со скоростью биохимических реакций, которые протекают в клетке, с участием дыхательных ферментов. Если дыхательные ферменты достаточно активно, то сопротивление небольшое. Если будут неблагоприятные условия для дыхательных ферментов, то сопротивление будет велико
Процесс массопередачи кислорода может быть лимитирован либо сопротивлением на первой стадии абсорбции растворения кислорода, либо сопротивлении на стадии потребления кислорода
Абсорбция кислорода – первая стадия массопередачи кислорода, растворение кислорода в КЖ
Процесс характеризуется скоростью абсорбции:
𝑣абс = 𝐾 ∙ 𝑓 ∙ (𝐶𝑝 − 𝐶) , моль/(м3 час)
𝐶𝑝 - равновесная концентрация кислорода в жидкости, находящейся в равновесии с газовой фазой, моль/м3
𝐶 – рабочая концентрация кислорода в жидкости, моль/м3
(𝐶𝑝 − 𝐶) – движущая сила процесса абсорбции
𝑓 – удельная поверхность массопередачи, м2 /м3, та поверхность через которую проходит кислород из пузыря воздуха в жидкость отнесённой к единице объёма
𝐾 – коэффициент абсорбции, м/час, величина обратная сопротивлению и характеризует способность кислорода преодолевать сопротивление при растворении в жидкости. Численно равен количеству молей кислорода, диффундирующих за один час через один квадратный метр поверхности при движущей силе процесса 1 моль на кубометр
Движущая сила абсорбции разность между равновесной и рабочей концентрации кислорода
Практически поверхность массопередачи определить невозможно, поэтому объединяют в одну величину
(𝐾 ∙ 𝑓) – объемный коэффициент массопередачи, Kf или KLa, параметр масштабирования
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ АБСОРБЦИИ