Метод оценки интенсивности пространственного смешения микроорганизмов в биореакторах непрерывного действия

Бесплатный доступ

Предложен метод оценки интенсивности продольного перемешивания биотехнологической суспензии в реакторах непрерывного действия путем расчета долей микроорганизмов, отличающихся между собой по времени пребывания в любом заданной объеме реактора. Расчёт степени смешения микроорганизмов различного возраста в интересующем единичном объёме аппарата важен специалистам-биотехнологам и конструкторам аппаратуры для формирования структурно-функциональной модели двухфазного потока суспензии, включающей микроорганизмы, управления потоком и определения основных гидродинамических и технологических параметров реализуемого процесса. Известно, что при сосуществовании в единичном объёме производственного субстрата микроорганизмов со значительной разницей в возрасте, биохимический процесс направленного массообмена идет неэффективно. В связи с тем, что метаболические процессы у микроорганизмов протекают с большой скоростью, изменение их возрастных функциональных признаков можно соотносить с временем пребывания клеток в системе. Для принятия принципиальных решений при конструировании новых аппаратов или модернизации имеющихся, с задачей реализации моделей потока, приближающегося к поршневому, необходимо иметь метод расчёта доли сосуществующих микроорганизмов с различным временем пребывания в интересующем объёме потока биореагентов. В данной работе предложен теоретико-вероятностный подход к построению математической модели диффузионного потока двухфазной жидкости, позволяющей рассчитать долю сосуществующих микроорганизмов с различным временем пребывания в произвольно заданном объёме аппарата. Методика базируется на математическом аппарате диффузионного марковского процесса, характеризующегося математической простатой и физической прозрачностью. Таким образом, полученные результаты позволяют оценить состояние гидродинамики потока системы «производственный субстрат–микроорганизмы» и на этом основании прогнозировать эффективность биохимических процессов, реализуемых в поточных аппаратах.

Еще

Микроорганизмы, возраст, аппараты, время пребывания, структура потока, смешивание, диффузионная модель, марковский процесс, функция распределения

Короткий адрес: https://readera.ru/140229854

IDR: 140229854   |   DOI: 10.20914/2310-1202-2017-3-169-173

Список литературы Метод оценки интенсивности пространственного смешения микроорганизмов в биореакторах непрерывного действия

  • Carrascosa A.V., Munoz R., Gonzalez R. Molecular Wine Microbiology//Academic Press. 2012. 360 p.
  • Варфоломеев С.Д., Луковенков А.В., Семенова Н.А. Физическая химия биопроцессов. М.: КРАСАНД, 2014. 800 с.
  • Kelly W.J. Using computational fluid dynamics to characterize and improve bioreactor performance//Biotechnol. Appl. Biochem. 2008. V. 49. P. 225-238.
  • Singh H., Hutmacher D.W. Bioreactor studies and computational fluid dynamics.//Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2009. V. 112. P. 231-249.
  • Саришвили Н.Г. Микробиологические основы технологии шампанизации вина. М.: Пищепромиздат, 2000. 364 с.
  • Алмагамбетов К.Х. Биотехнология микроорганизмов. Астана, 2008. 244 с.
  • Пищиков Г.Б. Интенсификация шампанизации вина с помощью бифункциональных развитых поверхностей в бродильно-биогенерационных аппаратах.//Виноград и вино Роcсии. 2009 № 5. С. 14-15.
  • Sharma C., Malhotra D., Rathore A.S. Review of Computational Fluid Dynamics Applications in Biotechnology Processes.//Biotechnol. Prog. 2011. V. 27. № 6. Р. 1497-1510.
  • Hutmacher D.W., Singh H. Computational fluid dynamics for improved bioreactor design and 3D culture.//Trends in Biotechn. 2008. V 26. № 4. Р. 166-172.
  • Kaiser S.C., Loffelholz C., Werner S., Eibl D. CFD for Characterizing Standard and Single-use Stirred Cell Culture Bioreactors. Minin I. (Eds.)//Intech. 2011. P. 97-122.
  • Johnson С., Natarajan М., Antoniou С. Verification of energy dissipation rate scalability in pilot and production scale bioreactors using computational fluid dynamics.//Biotechnol. Progr. 2014, V. 30. № 6, Р. 760-764.
  • Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: Советское радио, 1977, 485 с.
  • Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. Учебное пособие. 3е изд. 464 с.
  • Пугачев В.С. Теория случайных функций. М.: Физматгиз, 1960. С. 79-83.
  • Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения. Т.I. М.: Мир, 1984. 528 с.
  • Маделунг Э. Математический аппарат физики: Справочное руководство. М.: Книга по Требованию, 2012. 618 с.
  • Беккенбах Э.Ф., Векуа И.Н. Современная математика для инженеров, 1958. 618 с.
  • Давыдов А.П., Злыднева Т.П. Методы математической физики. Классификация уравнений и постановка задач. Метод Даламбера: курс лекций. М.: ИНФРА-М, 2017. 100 с.
Еще
Статья научная