Определение степени смешивания микроорганизмов с различным временем пребывания в поточных биореакторах

Abstract

Рассмотрена возможность оценки характера гидродинамики двухфазного потока в биореакторах непрерывного действия с точки зрения наличия микротурбулентностей или конвективного ламинарного перемешивания, приводящих к нарушению последовательного продвижения микроорганизмов в системе (аппарате, установке). Предложено осуществлять указанную оценку путём расчёта долей микроорганизмов, отличающихся между собой по времени пребывания в любом заданном объёме аппарата. Известно, что при сосуществовании в единичном объёме производственного субстрата микроорганизмов со значительной разницей в возрасте, коррелирующей с временем пребывания их в реакторе, биохимический процесс направленного массообмена идёт 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 расчета доли сосуществующих микроорганизмов с различным временем пребывания в интересующем объёме потока биореагентов. Получаемые расчетные данные важны для функционально-структурного моделирования двухфазного потока реагентов, определяющими из которых в биотехнологических процессах являются живые клетки микроорганизмов. Однако искомого решения для оценки состояния системы до настоящего времени не имеется. В данной работе предложен теоретико-вероятностный подход к построению математической модели, позволяющей рассчитать долю сосуществующих микроорганизмов с различным временем пребывания в произвольно заданном объёме аппарата путём принятия начальных и граничных условий. Методика базируется на определении плотности функции распределения по времени пребывания клеток микроорганизмов в аппаратах. 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. The possibility of assessing the character of hydrodynamics of two-phase flow in continuously operated bioreactors is considered, taking into account the presence of microturbulences or lamellar convective mixing resulting in disturbing sequential movement of microorganisms in the system (device, unit). It is suggested to perform the mentioned assessment by calculating the shares of microorganisms which differ among themselves by the time of staying in any given volume of the device. It is known for fact that in case of coexistence in a unit volume of the production substrate of microorganisms of various age as correlated to their time of stay in a reactor, biochemical process of the targeted mass exchange runs inefficiently. As metabolic processes are very fast in microorganisms, changes in their age-related functional characteristics may be associated with the time of stay of the cells in the system. In order to make key decisions while designing new devices or upgrading the existing ones with the task of realizing the models of flow approximating to piston flow, one needs a method of calculating the share of the coexisting microorganisms with various time of stay in the volume of the bioagents’ flow of interest. The obtained calculated data are important for the functional-and-structural simulation of a twp-phase flow of agents, among which the living cells of microorganisms are determinant for biotechnological processes. However, there a solution to assessing the system’s condition has not of yet been found. This work suggests a probabilitytheoretical approach to development of a mathematical model helping calculate the share of the coexisting microorganisms with various time of stay in an arbitrarily given volume of the device by means of setting initial and boundary conditions. The method is based on assessing the density of function of distribution according to the time of stay of the microorganisms’ cells in devices. Thus, the obtained results allow to assess the condition of hydrodynamics of the flow of the system “production substrate - microorganisms”, and based on that to predict the efficiency of biochemical processes realized in flow-line devices.