10.1. Одноступенчатое гомогенное культивирование микроорганизмов с рециркуляцией. Преимущества и недостатки.

Одним из недостатков хемостата является его склонность к вы­мыванию культуры. Действительно, для получения высокой про­изводительности необходимо работать при оптимальной скорости разбавления D_oпm, близкой к критической D_кр. В таких условиях при случайном уменьшении концентрации субстрата на входе или неточном задании протока D может начаться необратимое вымы­вание культуры из аппарата.

Для борьбы с этим явлением предложено использовать комп­лекс «ферментер—сепаратор» (рис. 9.14). В этом комплексе выхо­дящая из ферментера жидкость сгущается на сепараторе, и часть сгущенного потока непрерывно возвращается в ферментер, ос­тальная часть идет как товарный продукт. Осветленная жидкость сбрасывается в стоки.

Свежая среда поступает с расходом F₀ и концентрацией суб­страта S₀ в ферментер с объемом рабочей жидкости V, где концен­трации биомассы Хисубстрата Sиудельная скорость роста mu оди­наковы в каждой его точке. Из-за рециркуляции жидкости из се­паратора (которую рассмотрим позже) поток из ферментера боль­ше, чем входной; он равен F с концентрацией биомассы X.

На сепараторе биомасса сгущается в b раз, т. е. ее концентрацияХ_с в выходном потоке равна bХ. Концентрация же субстрата при этом не меняется и составляет S. Из сепаратора выходят два пото­ка: один — сгущенная биомасса с расходом F_c, второй — осветлен­ная или отработанная жидкость с практически нулевой концент­рацией биомассы. При этом расход отработанной жидкости соста­вит (F- F_c) с концентрацией субстрата S.

Материальный баланс биомассы в сепараторе позволяет найти связь между F_cи F.

Поток сгущенной жидкости после сепаратора раздваивается. Часть его возвращается в ферментер с расходом Fp, концентраци­ей биомассы bХ и субстрата S;

F_P = aF₀,

а — коэффициент рециркуляции, причем 0 <=а <=1.

Выходящий поток из системы F_вых равен:

F_вых=F_c-F_P

С учетом (9.56) и (9.57) получаем:

Поскольку по определению

X_C = bX,

производительность комплекса «ферментер—сепаратор» равна:

Q_компл = X_C F_вых= (1 +a - ab)F₀X.

Составляем материальный баланс по субстрату:

Принимая для стационарного состояния dS/dt= 0, получаем:

Материальный баланс биомассы в ферментере в стационарном состоянии:

Поскольку

^F=F₀ ^{+ F}_P

и скорость разбавления D равна

D= F₀/V

D= F0из уравнений (9.64), (9.57), (9.60), (9.65) и (9.66) можно найти вы­ражение для удельной скорости роста в ферментере:

mu = (1 + а - ab)D.

Поскольку b > 1 по определению, в данной системе удельная скорость роста микроорганизмов меньше скорости разбавления D (в одиночном хемостате эти величины равны).

Совместное решение уравнений (9.63) и (9.67) дает выражение для концентрации биомассы:

Поскольку b >1, концентрация биомассы при рециркуляции в ферментер выше, чем в обычном хемостате (при а = 0) и той же концентрации субстрата в исходной среде.

Подставляя выражение (9.68) для Хвуравнение (9.61), получа­ем:

^Q_компл ^{= Y}_XS ^F₀ ^(S₀ ^{- S).}

Связь концентрации субстрата в ферментере со скоростью раз­бавления можно определить исходя из уравнения Моно:

откуда

Подставляя в это выражение соотношение (9.67) для mu, получаем:

Из (9.72) следует, что при работе комплекса «ферментер—сепа­ратор» концентрация субстрата на выходе из ферментера S умень­шается по сравнению с обычным хемостатом (при а = 0), а про­изводительность системы по биомассе Q_компл при этом увеличи­вается.

Отсюда вытекают основные направления использования рас­сматриваемого комплекса:

повышение производительности системы непрерывного куль­тивирования, если этого невозможно достичь просто за счет повы­шения исходной концентрации субстрата S₀, например при очист­ке сточных вод или утилизации малоконцентрированных раство­ров субстрата;

более полное потребление из среды субстрата.