Массопередача между культуральной жидкостью и биомассой микроорганизмов

Клетки потребляют субстраты и выделяют продукты метаболизма; на границе раздела фаз жидкость-биомасса происходит транспорт веществ. Движущая сила этого процесса разность концентраций субстрата или метаболита на поверхности клетки и в основной массе жидкости. Скорость транспорта субстрата Q_s можно определить по уравнению массопередачи.

Q_s = K_ж-т F (S_l — S),.

где K_ж-т — коэффициент массоотдачи в системе жидкость-биомасса, м/с; F — площадь поверхности клетки, (точнее поверхности раздела фаз), м^-1; S_l и S — концентрации субстрата в основной массе жидкости и на поверхности клетки.

Величина K_ж-т существенно зависит от условий перемешивания среды. Увеличение интенсивности перемешивания приводит к повышению K_ж-т, а следовательно, к уменьшению разности между измеряемым значением концентрации субстрата S_l и фактически действующей на клетку концентрации S.

Поскольку на клетку действует концентрация S, а не S_l, то именно её следует использовать в качестве параметра кинетических уравнений. Так, для скорости потребления субстрата при кинетике Моно можно представить:

Q_s = Q_s ^maxS/(K_s + S),.

где Q_s ^max и K_s — константы.

Выразив значение S из первого уравнения, подставив полученную зависимость в последнее уравнение, можно найти связь между скоростью потребления субстрата S и его измеряемой концентрацией S_l:

Q_s = Q_s ^max(S_l — Q_s/F K_ж-т).

K_s + (S_l — Q_s/F K_ж-т).

Это выражение можно аппроксимировать уравнением Моно:

Q_s = Q_s ^maxS_l

K_s+ S_l

В котором константа насыщения отличается от «истинной» макрокинетической константы K_s и равна:

Q_s ^max

K_s = K_s+ F K_ж-т

Скорость массопередачи жидкость-биомасса зависит от интенсивности перемешивания среды, поэтому в таких культурах при культивировании микроорганизмов в виде отдельных клеток малого размера (5−15 мк) процесс транспорта субстратов и метаболитов на границе жидкость-биомасса не оказывает влияния на вид кинетических уравнений.