С.Дж.Перт

Если для культивирования используют устройство без пере­

мешивания, то применение пористой керамики, металлокера­ мики или стеклянных распылителей с микроотверстиями уве­

личивает скорость растворения кислорода в неско,1ько раз по

сравнению с подачей воздуха через отверстия макроскопиче­

ских размеров. Пори~тые распылители применяют при аэрации

без перемешивания, но они имеют тот недостаток, что засоряют­ ся частичками биомассы, в частности при выращивании мице­ лиальных плесневых грибов.

вязкости среды исследовали, добавляя к среде карбоксиметил­

вает выражен гораздо сильнее.

10.8. Влияние поверхностно-активных вещестз

и углеводородов

Культуральная среда и продукты метаболизма часто содер­

жат поверхностно-активные вещества, способствующие образо­

ванию пены. Влияние поверхностно-активных агентов на зна­

чение KLa предсказать нельзя. Айба и др. [1, стр. 153] система­

тизировали имеющиеся по этому вопросу данные. Они отметили,

что лаурилсульфат натрия (10 мг/л) уменьшает как KL, так и

KLa приблизительно на 50%. С увеличением количества детер­

гента значение KLa слегка увеличивается, а величина KL остает­

ся постоянной, что объясняется уменьшением размера пузырь­

ков. Уменьшение значения KLa при снижении количества детер­

гента пока остается необъяснимым.

Имеются также данные о том, что при образовании пены

неизвестными агентами при вихревой аэрации среды скорость

растворения кислорода уменьшается до 1/10 ее нормальной

величины [47, стр. 42]. Снятие пены с помощью пеногасителей

восстанавливало скорость растворения кислорода до исходной

величины. Вполне возможо, что образование пены при вихре-

вой аэрации порождает циркуляцию пены, из которой кислород

поглощен, а поGтупление свежих порций воздуха преграждается sтой пеной. Пеногасители уменьшают KLa, вероятно, путем

увеличения размера пузырьков [241].

Добавление керосина в среду в колбе на качалке чрезвы­

чайно увеличивало значение KLa [213]. Этот необъяснимый

эффект вызывали большие количества керосина - > 10% от

объема водной среды. Следует иметь в виду, что растворимость

кислорода в нефти примерно в 100 раз выше, чем в воде; сле­

довательно, керосин может являться носителем кислорода в

водной среде.

мицелия в значительной мере обусловлено способностью мице­ лия создавать большую неньютоновскую вязкость.

10.10. Потребность в мощности

Значение KLa прямо пропорционально электрической мощ­

ности, подаваемой на единицу объема культуры [47, 98]. Для

полностью турбулентной системы с лопастной дисковой турби­

ной можно записать

5 л с вихревым перемешиванием [47]; однако при увеличении

размеров аппаратуры значение коэффициента мощности падает невероятно стремительно, достигая примерно 0,138 в фермен­

тере объемом 2000 л. С другой стороны, в полной системе с от­

бойниками а~ 100 и не меняется при изменении объема жид­ кой среды от 5 до 10 ООО л. Из этого следует, что аппараты с

вихревым перемешиванием высокоэффективны при малых объе­ мах и в отличие от системы с от(';iойниками не гарантируют

~фективности при увеличении размеров.

10.11. Пенообразование

Стойкое пенообразованиенежелательное явление, которое

имеет место при аэрации сред, содержащих органический мате­

риал. Устойчивость пены связана с составом сложных сред или продуктами обмена микроорганизмов, часто неидентифициро­ ванными, и борьба с пенообразованием осуществляется чисто

эмпирически. Отрицательное влияние пенообразования состоит

в следующем: 1) культура с пеной может быть вынесена из ферментера через отверстия для выхода воздуха; 2) снижается

величина KLa (разд. 10.8); 3) в хемостатных культурах изме­

няется содержание газа и, следовательно, жидкий объем стано­

вится неконтролируемым.

Образование пены предотвращается обычно пеногасителями.

Рекомендованы механические пеногасители, но их практическую

эффективность установить трудно в связи с определенной слож­

ностью их введения. Данные о количестве химических пенога­

сителей, достаточном для предотвращения образования пены,

опубликованы [105; 256]. Используют большое разнообразие

пеногасителей, часто неопределенного состава. Полипропилен­

гликоль (мол. вес 2000) особенно эффективен и биологически инертен. Однако, несмотря на применение подобных в-еществ,

бороться с пенообразованием трудно; его можно уменьшить

достаточно надежно лишь уменьшением потока воздуха через

культуру.

10.12.Системы аэрирования и перемешивания

влабораторных ферментерах

Лабораторные ферментеры объемом от 0,1 до 10 л с вихре­ вой системой аэрации и перемешивания более удобны, чем фер­ ментеры с отбойниками, из-за простоты конструкции (отсутст­ вия для устройств дробления воздуха и отбойников). Введение

в аппарат с вихревым перемешиванием отверстия для ввода воз­

духа снизу или рядом с мешалкой может привести к значитель­

ному увеличению значения KLa, Отсутствие отбойников особен­

но важно при длительном непрерывном культивировании, так

как микроорганизмы имеют тенденцию концентрироваться на

отбойниках. Другим преимуществом вихревой системы переме­

шивания является меньшее образование пены, чем при переме­

шивании с отбойниками. Ферментеры с отбойниками более

пригодны для опытных установок заводского типа, чем аппа­

раты с вихревым перемешиванием; последние при увеличении

объемов становятся менее эффективными. Выращивание мице­

лиальных грибов в ферментере, снабженном различными датчи- ·

ками, особенно в условиях хемостата, осуществляют при иа-

пользовании аппаратов с минимальным размером (при объеме

сосуда 1,5 л диаметр должен быть 15 см), иначе из-за роста гриба на поверхностях будет невозможно поддерживать куль­

туру в гомогенном состоянии.

10.13. Аэрация в колбах на качалках

Самым простым способом выращивания периодических глу­

бинных перемешиваемых культур является использование колб

на качалках. Этот метод впервые был применен в 1933 r. [173]

ис тех пор широко используется для выращивания не только

микроорганизмов, но и клеток растительных и животных

тканей.

Круговые качалки (см., например, [232]) предпочитают раскачивающимся [163] в связи с тем, что при круговом пере­

мешивании исключается в большой степени разбрызгивание

жидкости, способствующее выносу клеток из жидкости, а сле­ довательно, росту микроорганизмов на стенках колбы (обра­

стания) выше уровня жидкости, что особенно характерно для культур мицелиальных грибов. Обрастание частно предотвра­

щают, покрывая стенки сосуда силиконом.

При перемешивании с использованиtм как круговой, так и

раскачивающейся качалки жидкость поднимается в колбе обыч­

но на 25-50 мм. При раскачивании производится, как правило,

100 движений в 1 мин, а круговая качалка дает от 150 до

300об/мин.

10.14.Факторы, влияющие на скорость растворения

кислорода при перемешивании иа качалках

10.14.1. Влияние формы сосуда

В результате определения скорости растворения кислорода

в жидкой среде одинакового состава и объема, помещенной в колбы одинаковой емкости, но разной формы - круrлодонные или конические, - при использовании одной и той же круговой

качалки не было найдено существенной разницы [47, стр. 33].

Те же исследователи установили, что при использовании рас­

качивающейся качалки скорость растворения кислорода в среде

в конических колбах в несколько раз больше, чем в круrлодон­

ных колбах. Применение колбы с отбойниками на круговой

качалке может привести к многократному (более 10 раз) уве­

личению скорости растворения кислорода [47, стр. 37]. Эф­

фективную роль отбойников могут играть четыре равномерно

расположенные впадины r лубиной в несколько миллиметров

по периметру колбы в ее нижней половине; также можно

рость растворения кислорода вдвое.

10.14.4.Влияние биомассы

Сувеличением количества биомассы скорость растворения

кислорода снижается почти линейно. Так, было установлено

Следовательно, присутствие биомассы способно значительно

уменьшить скорость поглощения кислорода в жидкости в колбе

при качании.

10.14.5. Скорость диффузии газа через ватную пробку

Колбы на качалках обычно закрывают ватными пробками, которые представляют собой определенное препятствие при

диффузии газа из колбы и в нее. Шульц [292] показал, что скорость диффузии кислорода в колбу (Rd ммоль/ч) выражает­

ся уравнением

(10.3)

где Pt и Ро - парциальное давление ( атм) кислорода внутри и

снаружи колбы соответственно; А - поперечная площадь (см2 )

ватной пробки; L - высота (см) пробки, Da- кажущаяся кон­ станта диффузии (см2/с). Используя кислородный электрод,

этот исследователь нашел при экспериментальном определении

при свободной диффузии. Следовательно, ватная пробка пред­

ставляет собой очень слабое препятствие для диффузии. Обоб­

объем жидкости (мл), р1давление (атм) растворенного кис­

лорода в жидкости.

5 Зак. 737

ными пробками размером 31 мм в диаметре и 35 мм высоты

показало, что максимальная скорость диффузии кислорода в

колбу составляет 19 имоль/ч при Р1 = О и давлении воздуха

снаружи сосуда, равном 1 атм. В колбе, содержащей 25 мл

жидкости, скорость диффузии не лимитирует скорости раство­

рения кислорода до тех пор, пока последняя не достигнет зна­

чения 760 ммоль/л · ч, что является слишком большой величиной по сравнению с обычно необходимыми скоростями. Однако

Шульц [292] отметил следующее: при увеличении объема со­

суда и, следовательно, объема культуры отношение A/L стано­ вится постоянным и мало влияет на Rd, так что диффузия через ватную пробку в больших колбах способна ограничивать ско­

рость растворения кислорода.

10.15. Аэрация в пробирках на качалке

Пробирочная качалка состоит из нескольких рядов проби­

рок, которые вращаются параллельно своей оси, обычно с не­

большой скоростью (около 60 об/мин), поэтому центробежная сила очень мала. Исследование степени аэрации в пробирках на

качалке показало, что максимальная скорость растворения

кислорода равна приблизительно 15 ммоль/л •ч и фактически не зависит от скорости качания в диапазоне от 6 до 60 об/мин

[ 117]. Следовательно, скорость растворения кислорода намного

меньше з•начения, которое достигается на круговой или раска­ чивающейся качалке для колб. Некоторыми преимуществами

качалки для пробирок можно считать ее простую механику и

более низкую стоимость, чем в случае качалок для колб. Эти

качалки удобны для культивирования клеток животных тканей

или тех микроорганизмов, которые для своего развития требуют

мало кислорода.

10.16. Аэрация в глубинных культурах без перемешивания (стационарные культуры)

В погруженной культуре без перемешивания, например в жидкой бактериальной культуре в пробирке или в однослойной культуре животных клеток при неподвижной жидкости, можно измерить площадь границы раздела газ - жидкость. Допустим,

что основная часть жидкости гомогенна, тогда, согласно теории

стационарной жидкой пленки, скорость растворения кислорода

(ммоль/мин) будет

(10.5)

где а - площадь соприкосновения фаз жидкость - газ; найдено

[292], что значение KL равно 1,2-10- 3 см/мин для диффузии