Занятие тема занятия: Регуляция биосинтеза биологически активных веществ в условиях промышленного производства

Промышленный биореактор – это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов или различные химические превращения.
Промышленные биореакторы могут работать в:

• 
  периодическом режиме;
  
• 
  периодическом режиме с доливом субстрата;
  
• 
  полунепрерывном (полупериодическом) режиме;
  
• 
  непрерывном (проточном) режимах.
  

Исторически в промышленности утвердился периодический способ работы при осуществлении химических превращений и полунепрерывный – при получении микробной биомассы. В последнее время для химических превращений стали применять реакторы с периодическим режимом и с доливом субстрата, а для получения микробной биомассы реакторы, работающие в непрерывном проточном режиме. Традиционно биореакторы, работающие в непрерывном проточном режиме,, использовались в промышленном масштабе только для аэробной переработки сточных вод и отходов, а также при производстве уксуса.

Детальный анализ некоторых потенциальных режимов работы биореакторов указывает на превосходство проточного непрерывного режима по сравнению с периодическими режимами работы.
При работе по периодическому режиму в реактор загружают все необходимые компоненты, ведут процесс до конца и затем собирают конечный продукт.
Периодический режим с добавлением субстрата предусматривает периодическое или непрерывное введение субстрата без удаления конечного продукта, который собирают только по завершению процесса.
При полунепрерывном ведении процесса, который также называют полупериодическим, по завершении начальной стадии в периодическом режиме наполовину опорожняют, чтобы частично собрать продукт, а затем снова заполняют таким же объемом свежей среды, и доводят процесс до конца; а затем снова осуществляют ту же последовательность операций. Подобный подход направлен на лучшее использование производственной установки.
Сравним производительность реактора, работающего в периодическом и непрерывном проточном, с идеальным перемешиванием, режимах.
Периодический процесс включает несколько этапов:

• 
  подготовительный, начальный период,
  
• 
  фазу экспоненциального роста,
  
• 
  период удаления продукта.
  

С точки зрения производительности реактора важен только период экспоненциального роста. Время, необходимое для завершения цикла t_γ можно представить как сумму продуктивного времени t и общего непродуктивного времени t_н , т.е.:

t_γ = t + t_н (**)

Из уравнения (1), имея в виду, что для экспоненциального роста µ=µ_m, получаем:

T = ln (***)

Подставив выражение (***) в уравнение (**), получим:

t_γ = ln + t_{н .}

Для периодического процесса общая продуктивность равна суммарной продукции, деленной на полное время цикла, т.е. исходя из формулы (2), суммарная продукция может быть определена из следующего уравнения:

(x- x_о) = Υx/s/s_о

_.
Таким образом, производительность периодического процесса, определяется из следующего уравнения:

Р_н = _.

Производительность реактора, работающего в непрерывном проточном режиме:
Р_н = ΔΎ_х/s (s_о- ŝ), где

ΔΎ_х/s – коэффициент выхода биомассы;

s_о - концентрация субстрата в свежей среде;
ŝ – остаточная концентрация лимитирующего субстрата.
Если ŝ << sо, следовательно, Рн = Д Ύ_х/s s_о
Таким образом, эффективность непрерывного процесса в сравнении с периодическим, оценивается исходя из выражения:


_{= .} (3)

В реакторе, работающем в проточном непрерывном режиме с полным перемешиванием, максимальная скорость разбавления равна Д= , но для избежания нестабильности скорость разбавления поддерживают на уровне 0,8 , следовательно, выражение (3) видоизменится:

_{= .}

Выделяют два типа реакторов непрерывного проточного действия: реакторы с идеальным перемешиванием и проточные биореакторы в режиме полного вытеснения (реакторы поршневого типа).

Биореакторы с идеальным перемешиванием могут работать как хемостаты или как турбидостаты.