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

Процессы переноса в биотехнологических системах

В ходе изучения материала предыдущих глав мы постепенно переходили от сравнительно простых (молекулярных) систем ко все более и более сложным — сначала к отдельным клеткам, затем к культурам, содержащим миллионы или миллиарды клеток в миллилитре. Физическая разобщенность компонентов системы (питательных веществ, клеток, продуктов метаболизма) повышает вероятность того, что на общую скорость превращений растворенных (или суспендированных) в реакционной массе веществ будет влиять не столько скорость химических реакций, сколько те или иные процессы физического переноса. Действительно, согласно данным Вейца, для клеток и входящих в их состав каталитических комплексов характерны модули Тила, приблизительно равные единице [1]; иными словами, клетки и субклеточные структуры функционируют с максимальной скоростью практически без диффузионных ограничений. Поэтому если мы, например, в каком-то микробиологическом процессе повысим количество углеродсодержащих питательных веществ, то аэробные клетки смогут их полностью усвоить только тогда, когда в непосредственной близости от клеток будет поддерживаться достаточно высокая концентрация кислорода. Если учесть, что растворимость кислорода в водных средах очень мала, то представляется вполне вероятным, что выполнить это условие можно будет только путем повышения эффективности массообмена в системе газ — жидкость и таким путем обеспечить ускоренную подачу кислорода к клеткам.

Очевидно, граница, разделяющая области с преобладанием аэробных или анаэробных процессов, определяется локальной концентрацией кислорода, коэффициентом диффузии О₂ и локальными скоростями дыхания в аэробной области. В случае облигатных аэробов, например плесеней в мицелиальных гранулах или тканевых клеток в злокачественных опухолях, эта граница одновременно разделяет жизнеспособные клетки от отмирающих; она определяет также глубину области с преобладанием аэробных процессов в поверхностных слоях озер и разделяет сосуществующие колонии аэробов от анаэробных популяций бактерий в частицах почвы. Началом современных работ по изучению роли массообмена кислорода в биологических процессах можно считать сороковые годы нашего столетия, когда в разгар второй мировой войны разворачивалось промышленное производство пенициллина. В настоящее время установлено, что массообмен кислорода играет большую роль и в многочисленных природных процессах, в том числе и в обусловленной окислительными процессами порче пищевых продуктов и эвтрофикации озер, связанной или с неадекватной аэрацией системы природными источниками кислорода, или с повышенной концентрацией некоторых веществ, например фосфатов или нитратов.

В микробиологических процессах большую роль могут играть и другие ограниченно растворимые газы. Так, в производстве белков одноклеточных организмов в качестве субстратов применяют метан и другие углеводороды. В этом важном процессе культуральная жидкость должна постоянно насыщаться как кислородом, так и метаном со скоростью, достаточной для удовлетворения потребностей микроорганизмов. Выведение метана из раствора является важным этапом в анаэробной обработке отходов; последней стадией этого процесса является декарбоксилирование карбоновых кислот (в первую очередь уксусной кислоты) до соответствующих алканов.

Диоксид углерода генерируется почти в каждом микробиологическом процессе. Несмотря на высокую растворимость СO₂, связанные с массообменом взаимопревращения между газообразным СО₂ и различными формами растворенного диоксида углерода (СО₂, Н₂СО₃, НСО₃^-, СО₃^2-) заметно влияют на pH; этот факт немаловажен при регулировании pH в процессах с участием неустойчивых к кислотам анаэробных организмов, в которых выделяются одновременно и СО₂, и СН₄. Такие процессы мы рассмотрим в гл. 14.

Массообмен в системах жидкость — жидкость играет большую роль в производстве белков одноклеточных организмов из жидких углеводородов, а также при выделении продуктов микробиологических процессов, например при экстракции органическими растворителями культуральной жидкости или ее фильтрата в производстве фармацевтических препаратов (гл. 11).

Биотрансформация возобновляемого природного сырья (например, отходов сельскохозяйственного и лесохимического производства типа целлюлозных, гемицеллюлозных и лигниновых фракций), используемого в качестве сырья в различных микробиологических процессах, обычно включает стадии (солюбилизация биомассы, ожижение, гидролиз), скорость которых лимитируется доступной для реагентов площадью поверхности твердого субстрата и скоростями диффузии растворенных веществ. Кроме того, массообмен между жидкой и твердой фазами играет определенную роль в различных сорбционных и хроматографических методах выделения и очистки веществ, а также в транспорте растворенного кислорода к гранулам плесени или к пленкам и гранулам иммобилизованных клеток.

При высокой плотности популяции клеток массообмен может стать фактором, определяющим скорость всего процесса. Такая ситуация характерна для самых разнообразных процессов — от лабораторных сосудов, перемешиваемых встряхиванием, до громадных промышленных реакторов, предназначенных для производства пенициллина или внеклеточных биополимеров (например, ксантана) и установок для обработки сточных вод методом активного ила. Отсюда следует, что при разработке и проектировании биологических реакторов инженер должен четко знать, какой фактор определяет скорость процесса — явления переноса или кинетика биологических превращений.

РИС. 8.1. Основные стадии переноса кислорода от газового пузырька в скопление клеток.

Часто явления диффузии растворенного вещества и переноса количества движения связаны самым тесным образом; в еще более сложном варианте эти явления связаны и с кинетикой химических реакций. Проблема взаимосвязи между диффузией и реакцией была рассмотрена нами в гл. 4; с этой точки зрения активность ферментов и клеток (в виде, например, коэффициента эффективности) может быть полностью описана с помощью двух параметров — модуля Тила и параметра насыщения K_s/s₀. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев явления массообмена самым тесным образом связаны с передачей количества движения, т. е. с механикой жидкостей и газов; действительно, этой теме посвящена большая часть литературы по химической технологии. Здесь мы ограничимся изложением основных концепций и таблицами формул, применяемых для расчета или оценки коэффициентов массопередачи растворенных веществ.

В заключительном кратком разделе этой главы будут рассмотрены примеры процессов, в которых на поведение биологических систем существенное влияние оказывает (через неоднородное распределение температуры) другое важное явление переноса — теплообмен. К числу таких примеров относятся относительно экзотермические микробиологические процессы, в том числе производство винного уксуса в реакторе со струйным течением, обработка сточных вод, саморазогрев куч компоста (а также бытовых и других отходов) и иные процессы с участием твердой фазы.