Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Кинетика процессов утилизации субстрата, образования продуктов метаболизма и биомассы в культурах клеток
Идеальные реакторы для изучения кинетики клеточного роста
Идеальный реактор периодического действия

Получить полезную информацию о кинетике роста популяции микроорганизмов практически невозможно, если условия в разных участках объема реактора неидентичны. Поэтому желательно изучать кинетику только в реакторах с полным перемешиванием. Здесь мы изучим реакторы с полным перемешиванием периодического действия и проточные (непрерывного действия) реакторы. Другие типы реакторов, в том числе реакторы периодического действия с добавлением субстрата и реакторы с неполным перемешиванием, будут рассмотрены в гл. 9.

Основой многих биохимических процессов является периодический рост популяций клеток, при котором после посева инокулята живых клеток в жидкую среду к последней в течение всего периода роста ничего не добавляется и из нее ничего не выделяется (за исключением, быть может, некоторых газов). Обычно в таком реакторе по мере роста популяции изменяются концентрации питательных веществ, клеток и продуктов метаболизма.

Материальный баланс по компоненту і показывает, что скорость его накопления, выраженная в виде производной общего количества компонента і по времени, должна быть равна скорости его образования, обусловленного химическими реакциями в реакторе. Таким образом,

или

где V_R — объем культуры; с_i — количество молей і в единице объема культуры; r_fi — количество образовавшихся в реакции молей і в единице объема культуры за единицу времени.

Если в реактор не добавляют и из него не отбирают никаких жидких веществ и если потерями жидкости с потоком газа можно пренебречь, то VR постоянно и уравнение (7.2) упрощается:

Следует отметить, что аналогичными уравнениями может быть выражено не только изменение количества молей, но и массы или концентрации (плотности) компонента. Если же компонент і входит в состав газового потока, поступающего в реактор (или выходящего из реактора), то указанные выше уравнения должны быть дополнены слагаемыми, отражающими результирующую скорость поступления компонента і с газовой фазой.

Из уравнения (7.3) следует, что определение скорости изменения концентрации компонента і позволяет непосредственно определить общую скорость образования і в реакциях (в том числе внутриклеточных), которые происходят в реакторе периодического действия. В общем случае скорость образования r_fi зависит от состояния клеточной популяции (состава, морфологии, распределения по возрасту и т. д.) и всех параметров среды, оказывающих влияние на скорости реакций в клетках и среде. В то же время, как мы уже упоминали во введении к этой главе, обычно кинетику клеточного роста описывают упрощенно, принимая во внимание только наиболее важные параметры. В последующих разделах мы увидим, каким образом стехиометрия реакций и их скорости связаны со скоростью образования продуктов жизнедеятельности клеток.