9-1 термодинамика

Термодинамика процесса ферментации

Тепловыделение в процессе жизнедеятельности биообъектов

Жизнедеятельность биообъектов всегда сопровождается с выделением тепла

жизнедеятельность любых клеток возможна благодаря метаболизму, те совокупности тех реакций, которые протекают в клетке

в результате таких реакций клетка перерабатывает питательные субстраты превращая их в строительные блоки для клетки и строится клетка

в результате этих реакций клетка обеспечивается еще и энергией для транспорта питательных веществ и синтеза клеточных структур

все биообъекты - хемотрофы, для жизнедеятельности используют энергию химических связей (фосфатные связи)

все органические вещества обладают запасом энергии и при окислении энергия освобождается и запасается в фосфатных связях (пример окисление углеводов)

в клетке универсальный переносчик энергии АТФ

АТФ забирает энергию от более высоко энергетических соединений к низко энергетическим, для того, чтоб привести низко энергетические соединения в реакционную способность

за счет разрыва фосфатной энергии идет присоединение к АТФ, а остаток выделяется в виде тепла

жизнедеятельность биообъектов сопровождается выделением тепла

Количество тепла, выделяемого при культивировании биообъектов, зависит от:

• Вида культуры

• Состава среды (на обогащённых ПС, содержащих много органических соединений процесс выделения тепла интенсивный)

• Фазы развития культуры

• Аппаратурного оформления процесса культивирования

Для аэробных процессов с участием микроорганизмов количество

выделяющегося тепла - от 4000 до 60000 кДж/м^3-час

за счет выделения такого количества тепла повышается температура в ферментаторе

культивирование длится долго (сутками), температура очень повышается при выделения такого количества тепла

а температура очень влияет на рост и биосинтез, поэтому для поддержания температуры нужно избыток тепла выводить (охлаждение биореактора)

тепло выделяется неравномерно, тепловыделение имеет экстремальных характер

интенсивность тепловыделения определяется концентрацией биомассы и скоростью роста (в начале удельная скорость клеток высокая, увеличение биомассы - интенсивность тепловыделения увеличивается и достигает максимума в конце экспоненциальной фазы роста, в стационарной фазе скорость роста равной нулю (нет прироста биомассы), а к концу прирост уменьшается и количество тепла тоже уменьшается

в процессе ферментации выделяется тепло, это тепло нужно отводить

вся энергия, которая затрачивается на перемешивание КЖ превращается в теплоту

Тепло, выделяющееся при перемешивании Qпер

Тепловой баланс ферментации

■ Тепло, выделяющееся при перемешивании

^𝑄пер ^{= 𝑁}г−ж ^{∙ 𝜏}пер^{, кДж} 𝑁_г−ж - мощность, затрачиваемая на перемешивание газо-жидкостной смеси, кВт

𝜏_пер - длительность перемешивания (время работы мешалки), сек

_𝜏пер= 𝜏_{ферментации}

_{количество выделяющее при перемешивании одного порядка с количеством тепла которое выделяется в процессе жизнедеятельности клеток}

■ Тепло, приносимое с воздухом

^𝑄возд ^{= 𝑚}возд ^{∙ С}возд ^{∙ (𝑡}вх.возд ^{− 𝑡}вых.возд^{), кДж}

𝑚_возд - масса воздуха, поступающего в ферментатор за весь процесс, кг

С_возд - теплоемкость подаваемого воздуха, кДж/кгК (справочная величина)

𝑡_{вх.возд} - температура подаваемого воздуха, С (средняя 50-60 градусов) 𝑡_{вых.возд} - температура выходящего воздуха, С;

𝑡_{вых.возд} = 𝑡_{ферм. (воздух выходит из ферментатора)}

■ Тепло испарения (сопровождается поглощением тепла, которое отводится ферментатором)

𝑄_исп = 𝑚_вл ∙ 𝑟, кДж

𝑚_вл - масса влаги, унесенной (принесенной) с воздухом, кг 𝑟 – удельная теплота парообразования при температуре ферментации, кДж/кг (по справочным таблицам при температуре ферментации)

■ Потери тепла – незначительны, ими можно пренебречь (потери через стенки аппарта из-за конвекции, все ферментаторы покрыты слоем изоляции и наружный слой изоляции отличается от окружающей среды)

𝑄_{па =0}

Уравнение теплового баланса:

^𝑄ферм ^{= 𝑄}ж\д ^{+ 𝑄}пер ^{+ 𝑄}возд ^{− 𝑄}исп

𝑄_ж\д =???

общее количество тепла = количество тепло при жизнедеятельности + тепло при перемешивании + тепло, вносимое воздухом - тепло испарения

общее количество тепла - то тепло, которое необходимо отвести чтоб поддержать температуру в ферментаторе

Методы определения теплового эффекта жизнедеятельности

• Метод теплового баланса (прямой калориметрии)

• Динамический метод

• Расчетный метод (непрямой калориметрии)

_{Расчетныи}̆ метод определения 𝑄_ж\д

_{Если нет возможности измерить необходимые данные для теплового эффекта, то эти данные рассчитываются по закону Гесса}

■ Совокупность реакций биосинтеза:

𝑆 + 𝑀₀ = 𝑀 + 𝑃 + 𝑃_ж + 𝑄_ж/д

S – питательный субстрат 𝑀₀ - посевной материал М – биомасса клеток продуцента, выросшая в ферментаторе (полученная)

Р – целевой продукт 𝑃_ж - неиспользуемые продукты жизнедеятельности

■ Закон Гесса: количество продуктов, вступивших = количеству продуктов конечных

^𝑞𝑠 ^+𝑞м0^=𝑞мкон^+𝑞𝑝^+𝑞𝑝ж^+𝑄ж/д

^𝑄ж/д^=𝑞𝑠 ^+𝑞м0^−𝑞мкон^−𝑞𝑝^−𝑞𝑝ж

𝑞_𝑠 - теплота сгорания субстрата, кДж 𝑞_м0 - теплота сгорания биомассы в посевном материале, кДж 𝑞_{м кон} − теплота сгорания биомассы в ферментаторе в конце процесса, кДж

^𝑞𝑝- теплота сгорания целевого продукта, кДж

^𝑞𝑝ж - теплота сгорания неучтенных продуктов жизнедеятельности, кДж (использовать эту величину неудобно)

поэтому ^𝑞𝑝= ^𝑞𝑝ж

Тогда теплота сгорания биомассы, вновь образовавшейся в процессе ферментации:

^𝑞_м ^{= 𝑞}_{м кон} ^{− 𝑞}_м0

Тогда тепловой эффект жизнедеятельности:

𝑸_ж\д=𝒒_𝒔 −𝒒_м −𝟐𝒒_𝒑

■ Теплота сгорания субстрата – сумма теплот сгорания всех органических компонентов питательной среды:

^𝑞_𝑠 ^{=сумма 𝐻}_𝑖 ^{∙ 𝑚}_𝑖

𝐻_𝑖 - удельная теплота сгорания i-ого компонента, кДж/кг

𝑚_𝑖 - масса i-ого компонента, кг

■ Теплота сгорания вновь образованной биомассы:

^𝑞м ^{= 𝐻}мкон ^∙𝑚мкон ^{− 𝐻}м0 ^∙𝑚м0 𝐻_м0, 𝐻_{м кон} - удельные теплоты сгорания биомассы в посевном материале и в

культуральной жидкости в конце ферментации соответственно, кДж/кг

𝑚_м0, 𝑚_{м кон} - количество биомассы в посевном материале и в культуральной жидкости в конце ферментации соответственно, кг.

При расчете учитывается масса абсолютно сухого мицелия (т.е. надо учитывать влажность).

■ Теплота сгорания целевого продукта:

^𝑞_𝑝 ^{= 𝐻}_𝑝 ^{∙ 𝑚}_𝑝

𝐻_𝑝 - удельная теплота сгорания целевого продукта, кДж/кг (для некоторых антибиотиков определена, но чаще ее считают)

𝑚_𝑝 - масса целевого продукта в культуральной жидкости, кг

■ Расчет удельной теплоты сгорания целевого продукта:

𝐻_𝑝 = 204,2𝑛 + 44,4𝑚 + сумма𝑋, кДж/моль единицы измерения внимательно!!!

n – количество атомов кислорода, необходимых для полного окисления 1 молекулы целевого продукта

m – количество молей воды, образовавшихся в результате полного окисления 1 молекулы целевого продукта

𝑋 - сумма термических характеристик химических связей в молекуле целевого продукта. Термическая характеристика – справочная величина.

Таким образом, для расчета 𝐻_𝑝 необходимо написать уравнение полного окисления 1 молекулы целевого продукта и уравнять его из расчета на 1 молекулу ЦП. Для определения величины термических характеристик необходимо знать структурную формулу целевого продукта (определить наличие, например, двойных связей, различных функциональных групп и т.п.)

■ Масса целевого продукта:

Акж - активность кж, содержание ЦП , ЕД/мл

𝛾_цп - удельная активность целевого продукта, ЕД/мг или мкг/мг

^с_цп - концентрация целевого продукта в к.ж., кг/м³

Расчет количества потреблённого кислорода и

выделившегося углекислого газа

■ Для оценки эффективности использования кислорода и для расчета материальных балансов необходимо знать количество потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа.

Так как в питательных средах очень много окисляющихся компонентов и не все возможно учесть, то для простоты расчет потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа ведут по эквивалентной массе наиболее энергоемкого компонента.

Условно принимаем, что в среде содержится только один компонент (наиболее энергоемкий), при окислении которого выделилось количество тепла, равное 𝑄_ж\д.

Наиболее энергоемким компонентов считается компонент, при сгорании всей массы которого выделяется наибольшее количество тепла.

Затем записывается уравнение реакции окисления наиболее энергоемкого компонента и с учетом стехиометрических коэффициентов рассчитывается количество 𝑂₂и СО₂.

Например: наиболее энергоёмкий компонент по расчетам – глюкоза. Рассчитанная масса 𝑚_экв = А кг.

Уравнение окисления глюкозы: С₆Н₁₂О₆ + 5О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

Находим молярные массы глюкозы, кислорода и углекислого газа (с учетом стехиометрических коэффициентов) и зная количество глюкозы как наиболее энергоемкого компонента (А кг), находим кислород и углекислый газ.