Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов
В статье приведены данные экспериментально-теоретических исследований скорости массопереноса кислорода в культуральной жидкости при культивировании хлебопекарских дрожжей. У статті наведені дані експериментально-теоретичних досліджень швидкості масопереносу кисню в культуральній рідині при культивув...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142248 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов / А.Н. Ободович, А.Н. Фищенко, В.В. Сидоренко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 1. — С. 25-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860249162425040896 |
|---|---|
| author | Ободович, А.Н. Фищенко, А.Н. Сидоренко, В.В. |
| author_facet | Ободович, А.Н. Фищенко, А.Н. Сидоренко, В.В. |
| citation_txt | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов / А.Н. Ободович, А.Н. Фищенко, В.В. Сидоренко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 1. — С. 25-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | В статье приведены данные экспериментально-теоретических исследований скорости массопереноса кислорода в культуральной жидкости при культивировании хлебопекарских дрожжей.
У статті наведені дані експериментально-теоретичних досліджень швидкості масопереносу кисню в культуральній рідині при культивуванні хлібопекарських дріжджів.
The article presents data of experimental and theoretical investigations of the mass flow rate of oxygen in the culture medium during cultivation bakery yeast.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:41:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №1 25
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 663.14. 033, 663.143.2
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДИВЭ НА СКОРОСТЬ МАССОПЕРЕНОСА
И РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ
Ободович А.Н., д.т.н, Фищенко А.Н., к.т.н., Сидоренко В.В.
Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03680, Украина
В статье приведены данные
экспериментально-теоретических
исследований скорости массопере-
носа кислорода в культуральной
жидкости при культивировании
хлебопекарских дрожжей.
Библ. 3, рис. 4, табл. 2.
Ключевые слова: скорость массопереноса кислорода, скорость потребления, удельная скорость
роста дрожжей.
У статті наведені дані експе-
риментально-теоретичних дослід-
жень швидкості масопереносу
кисню в культуральній рідині при
культивуванні хлібопекарських
дріжджів.
The article presents data
of experimental and theoretical
investigations of the mass flow rate
of oxygen in the culture medium
during cultivation bakery yeast.
Культивирование микроорганизмов имеет
большое значение в разных отраслях промыш-
ленности и биотехнологиях [1]. На рост микроор-
ганизмов влияет большое количество различных
факторов [2]. Для аэробных микроорганизмов
важное значение имеет аэрирование среды. Аэ-
робные микроорганизмы используют для дыха-
ния только растворённый (абсорбированный) в
среде кислород. Снижение в среде растворённо-
го кислорода ниже критического уровня ведёт к
замедлению их роста и гибели.
В предыдущих исследованиях было изуче-
но растворение кислорода в воде и питательных
средах при обработке в ферментёре с дискретно-
импульсным вводом энергии. Эти исследования
проводились с питательными средами (без по-
требления кислорода микроорганизмами). При-
сутствие микроорганизмов в питательных средах
будет постоянно снижать содержание кислорода
и питательных веществ. Последние будут расхо-
доваться на обеспечение жизнедеятельности кле-
ток.
Поэтому более актуальным становится во-
прос не о концентрации растворённого кислоро-
да в культуральной жидкости, а о скорости его
растворения.
В связи с этим целью данных исследований
является изучение влияния механизмов дискрет-
но-импульсного ввода энергии на скорость рас-
творения кислорода, коэффициент массоперено-
са и удельную скорость роста микроорганизмов.
В качестве объекта исследований использова-
лись дрожжи расы Saharomices cerevisae.
Культивирование проводили на водных рас-
творах мелассы с добавлением минеральных ис-
точников азота и фосфора, ph среды регулировал-
ся добавлением ортофосфорной кислоты.
Культивирование дрожжей осуществлялось
в ферментёре с дискретно-импульсным вводом
энергии, разработанным в Институте техниче-
ской теплофизика НАН Украины [3].
Для определения скорости растворения кис-
лорода применяли уравнение массобмена
КD = 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝛽𝛽 ∙ 𝐹𝐹 (𝐶𝐶𝐶𝐶 − 𝐶𝐶) , (1)
где КD – скорость абсорбции кислорода, кг О2/м3·ч;
Co – концентрация кислорода в жидкости при
полном насыщении ее, которое может быть дос-
тигнуто при данной температуре и парциальном
давлении кислорода в продуваемом воздухе, кг
О2/м3;
С – фактическая концентрация кислорода в
культуральной жидкости О2/ м3 ;
β – константа массопередачи кислорода для
данной среды и температуры, м/ч;
F – площадь поверхности раздела между жид-
кой и газовой фазами, м2/м3.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №126
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Скорость абсорбции кислорода, как видно из
уравнения (1), может быть увеличена соответ-
ствующим увеличением одного из сомножителей
β∙F или (Co – C). Движущая сила процесса аб-
сорбции, определяемая разностью равновесной
и рабочей концентрации растворённого кислоро-
да, возрастает с уменьшением рабочей концен-
трации. Для того, чтобы обеспечить бо̒льшую
движущую силу процесса абсорбции и бо̒льший
приток растворённого кислорода в культураль-
ную жидкость, целесообразно вести процесс с
наименьшей рабочей концентрацией кислорода.
Наименьшая рабочая концентрация кислорода
должна быть выше критической, т.е. не лимити-
ровать скорость потребления его дрожжами. Для
дрожжей, выращиваемых на мелассной питатель-
ной среде, она составляет, как правило, около
0,5 мг/л.
В уравнении (1) произведение β∙F можно за-
менить символом Кla, обозначив его, как коэффи-
циент массопрередачи (ч-1). Тогда уравнение (1)
примет вид
КD = Kla (Co-C). (2)
В соответствии с уравнением (2) скорость аб-
сорбции кислорода воздуха в культуральной сре-
де рационально регулировать в аппарате измене-
нием величины коэффициента массопередачи в
зависимости от потребностей дрожжей. Значение
Kla можно повысить, обрабатывая среду в ротор-
но-пульсационном аппарате, используя механиз-
мы дискретно-импульсного ввода энергии.
Процесс культивирования дрожжей может
успешно осуществляться только при условии
достаточно интенсивного массообмена во всех
точках рабочего объёма аппарата, т.е. в аппарате
полного смешения по жидкой фазе, когда во всём
объёме аппарата для каждого произвольно выб-
ранного момента времени любой из параметров
процесса, включая коффициент массопередачи,
принимает одно и тоже значение. Для решения
поставленной задачи был создан ферментёр с
дискретно-импульсным вводом энергии.
При определении коэффициента массопере-
дачи было принято, что скорость растворения
кислорода – равна скорости его потребления
клетками Kr, т.е. выполняется равенство
КD = Kr. (3)
Растворённый в жидкости кислород потребляет-
ся дрожжевыми клетками со скоростью
Kr = q∙x∙μ, (4)
где q – потребность в кислороде для синтеза
АСД. г О2/г;
µ – удельная скорость роста дрожжей г/г·ч,
или ч-1;
х – концентрация дрожжей в среде, г/л.
Величины q, µ и x определяются эксперимен-
тально.
Зная, таким образом, значение рабочей кон-
центрации в каждый момент времени, можно
определить скорость массопереноса коэффици-
ент массопереноса, которые определяются из
уравнения материального баланса:
KD = Kr = Kla (Co-C) = q∙x∙μ. (5)
Откуда
Kla = (q∙x∙μ )/(Co-C). (6)
В ходе дальнейших исследований было из-
учено влияние механизмов ДИВЭ и конструк-
тивных особенностей роторно-пульсационного
аппарата на скорость растворения кислорода.
Коэффициент массопереноса и удельную ско-
рость роста дрожжей.
На рисунке 1 представлена зависимость ско-
рости массопереноса от угловой скорости вра-
щения ротора при различном содержании сухих
веществ (СВ) в культуральной жидкости.
Необходимо отметить, что с увеличением
угловой скорости вращения роторов от 38,2 до
52,52 об/с скорость массопереноса увеличивает-
ся. Установлено, что скорость массопереноса во
многом зависит от концентрации СВ в среде. С
уменьшением содержания СВ от 10 до 5 % при
обработке с угловой скоростью 47,75 об/с ско-
рость массопереноса увеличивается в 1,9 раз.
При проведении исследований представляло
интерес то, как влияет на скорость массоперено-
са частота пульсаций потока в РПА в зависимо-
сти от содержания СВ (рис. 2).
Из рисунка видно, что увеличение частоты
пульсаций от 2 до 3,85 кГц ведёт к увеличению
массопереноса от 5 до 7,3 г/л·ч при содержании
СВ 3 %, от 3,5 до 4,8 г/л·ч при содержании СВ 5
% и от 2 до 4 г/л·ч при содержании СВ 10 %. За-
метное увеличение частоты пульсаций приводит
к “ужесточению” режима обработки, что отрица-
тельно сказывается на динамике роста дрожжей.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №1 27
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
35 45 55
Ск
ор
ос
ть
м
ас
со
пе
ре
но
са
, г
/л
·
ч
Угловая скорость, об/ с
Рис. 1. Зависимость скорости массопереноса от угловой скорости вращения роторно-
пульсационного узла при концентрации СВ: ▲ – 10 %; ■ – 5 %; ♦ – 3 %.
Рис. 2. Зависимость скорости массопереноса от частоты пульсаций потока при
концентрации СВ: ▲ – 10 %; ■ – 5 %; ♦ – 3 %.
Рис. 3. Зависимость скорости массопереноса от скорости сдвига потока при
концентрации СВ: ▲ – 10 %; ■ – 5 %; ♦ – 3 %.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №128
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
При определении влияния механизмов ДИВЭ
на скорость массопереноса важным фактором яв-
ляется межцилиндровый зазор, влияние которого
учитывает такой показатель, как скорость сдви-
га потока, которая определяется, как отношение
скорости потока среды в радиальном направле-
нии в РПА к межцилиндровому зазору.
Экспериментальные данные, отражающие за-
висимость скорости массопереноса от скорости
сдвига потока при различном содержании СВ в
среде, представлены на рис. 3.
Как и в предыдущих исследованиях уста-
новлено, что с увеличением скорости сдвига
потока скорость массопереноса увеличивается,
однако увеличение значения этой величины ве-
дёт к необходимости получения малых (менее
100 мкм) зазоров, что технически трудно выпол-
нимо. Оптимальный диапазон значений скорости
сдвига потока лежит в пределах 90...100∙103 с-1.
Из рисунка так же следует, что с увеличением
содержания СВ в среде скорость массопереноса
уменьшается.
Проведенные исследования позволяют сде-
лать вывод о том, что скорость массопереноса
при выращивании дрожжей в ферментёре с дис-
кретно-импульсным вводом энергии зависит от
механизмов ввода энергии и конструктивных
особенностей РПА.
Для анализа работы ферментационных ап-
паратов с различными системами аэрирования
ниже приведены их сравнительные характеристи-
ки по скорости массопереноса. Характеристики
представлены с учётом того, что на аэрирование
расходовалось около 100 м3/м3∙час воздуха.
РПА работал в непрерывном режиме со ско-
ростью вращения ротора 47,75 об/с, частотой
пульсаций – 2,87 кГц, скоростью сдвига потока –
114∙103 с-1, концентрации СВ – 10 %. Полученные
данные представлены в табл. 1.
Таблица 1. Сравнительная характеристика воздухораспределительных устройств различной
конструкции по скорости массопереноса кислорода
№ п/п Воздухораспределительные устройства Скорость массопереноса,
кг/м3∙час
Трубчатые 1,4...1,6
Коробчатые 1,4...1,6
Турбоаэрационные воздухораспределительные 1,19
Вибрационные 1,8
Эрлифтной системы 1,12
РПА 4,06
Как видно из таблицы, использование в фер-
ментёре в качестве аэрационной системы РПА
позволяет повысить скорость массопередачи бо-
лее чем в 2,5 раза по сравнению с существующим
оборудованием. Такой эффект может объясняться
высокой турбулизацией потока, диспергировани-
ем пузырьков газовой фазы, увеличением площа-
ди контакта фаз.
Количественными и качественными показа-
телями культивирования дрожжей Saharomices
cerevisae являются удельная скорость роста,
концентрация дрожжей в единице объёма, коли-
чество мёртвых клеток.
Одним из главных показателей при культиви-
ровании дрожжей является их удельная скорость
роста µ (г/г∙ч) или ч-1. В период наиболее актив-
ного роста дрожжей (экспоненциальной стадии),
удельная скорость роста дрожжей определяется
следующим соотношением
μ = (ln(хо/х))/τ, (7)
где хо – концентрация дрожжей в начале культи-
вирования, г/л
х – конечная концентрация дрожжей, г/л
τ – время культивирования, час.
Перед нами стояла задача оценить зависи-
мость удельной скорости роста дрожжей от ско-
рости сдвига потока с различной концентрацией
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №1 29
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
СВ. Результаты экспериментов представлены на
рис. 4.
Анализ кривых, изображенных на рис. 4, при-
водит к выводу, что увеличение скорости сдвига
потока до 114∙103 c-1 благотворно влияет на удель-
ную скорость роста дрожжей при различной кон-
центрации СВ в среде. С увеличением скорости
сдвига потока свыше 114 ∙103 c-1 г, удельная ско-
рость роста дрожжей начинает снижаться. По
мнению авторов, причиной этому могут быть
несколько факторов.
Первый заключается в том, что увеличение
скорости массопереноса способствует быстрой
и бо̒льшей доставке питательных веществ в
клетку, может превышать необходимое для жиз-
недеятельности. В связи с этим рост клетки за-
медляется или вообще прекращается. Пере-
избыток кислорода и питательных веществ в
дрожжевой клетке может привести к её гибели.
Следующим фактором является то, что для
достижения высокой скорости растворения кис-
лорода необходимы “жёсткие” условия обработ-
ки среды в РПА, т.е. высокие угловые скорости
вращения роторов, частоты пульсаций, скорости
сдвига потока. При этом в межцилиндровом зазо-
ре высокие сдвиговые напряжения, которые мо-
гут приводить к разрушению клеточной стенки и
гибели само́й клетки.
Рис. 4. Зависимость удельной скорости роста дрожжей от скорости сдвига потока
при концентрации СВ: ▲ – 10 %; ■ – 5 %; ♦ – 3 %.
Таблица 2. Зависимость количества мёртвых клеток от скорости сдвига потока в РПА
Скорость сдвига потока в РПА, 103 с-1 Время культивирования, час
0 1 2 3 4 5 6 7 8
85,46 2 2 2 2 3 3 4 4 4
114 2 2 2 3 3 4 4 4 5
125,4 2 3 3 5 5 6 6 9 10
барботаж 2 2 2 2 2 2 2 3 3
С целью подтверждения этих предположений
в дальнейших исследованиях было изучено влия-
ние скорости сдвига потока на гибель дрожжевых
клеток. Количество отмерших клеток методом
микроскопии. Проба культуральной жидкости
заполняла камеру Горяева, где подсчитывалось
количество дрожжевых клеток. Отмершие клет-
ки определялись добавлением в пробу красителя
метиленового синего. Результаты исследований
отражены в таблице 2.
По полученным экспериментальным данным
можно сделать следующие выводы:
• Управляя механизмами ДИВЭ и меняя
конструктивные особенности РПА, можно регу-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №130
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
лировать скорость массопереноса;
• Увеличение скорости массопереноса до
4,1 г/л·час позволяет интенсифицировать про-
цесс выращивания дрожжей, а именно сократить
продолжительность продолжительности про-
цесса с 12 до 7 час и увеличить концентрацию
дрожжей в 2 раза по сравнению с существующей
технологией;
• Увеличение скорости массопереноса свы-
ше 4,1 г/л·час приводит к снижению выхода гото-
вой продукции;
• Снижение удельного расхода энергии на
68 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новый справочник химика и технолога.
Сырьё и продукты промышленности органи-
ческих и неорганических веществ Ч.2 – С-Пб.:
АНО НПО “Профессионал”, 2007. – 1134 с.
2. Фищенко А.Н. Разработка технологии
дрожжей в производстве спирта с использовани-
ем электрохимической обработки питательных
сред: дис. кандидата техн. наук / А. Н. Фищенко.
– К., 1988. – 191 с.
3. Ободович А.Н. Устройство для оптимиза-
ции массообменных процессов за счёт дискрет-
но – импульсного ввода энергии при культиви-
ровании микроорганизмов/ А.Н. Ободович, С.И.
Костик, В.В. Сидоренко//Енергетика: економіка,
технології, екологія. – 2014. – №4. – с. 23 – 26
EFFECT OF THE METHOD OF
DESCRET-PULSE ENERGY INPUT
ON THE MASS FLOW RATE AND
MICROBIOGICAL GROWTH
А. Obodovich , A. Fischenko, V. Sidorenko
Institute of Engineering Thermophysics, National
Academy of Sciences of Ukraine, Zhelyabova str.,
2a, Kiev, 03680, Ukraine
The paper presents experimental data on the rate of
mass transfer of oxygen into the culture medium
during the growth of bakery yeast in the fermentation
method of installing a discrete-pulse energy input.
Dependence of the rate of mass transfer of oxygen
from the following processing parameters pulsation
frequency flow rate of translations is present.
Determination of the specific growth rate of yeast at
different concentrations of nutrients in the processing
unit is present.
Key words: mass flow rate of oxygen consumption
rate, the specific rate of growth of yeast
References 4
1. The new reference Chemist and technologist.
Raw materials and products of industrial organic
and inorganic substances – S-Pb.: ANO NPO
“Professional”, 2007. – 1134 с.
2. Fischenko A.N. Razrabotka tehnologii
drozhzhey v proizvodstve spirta s ispolzovaniem
elektrohimicheskoy obrabotki pitatelnyih sred Doct.
Diss [Development of technology in the production
of yeast alcohol using electrochemical machining
culture media. Doct.Diss ]Kiev, 1988,191 p.
3. А. Obodovich , S. Kostik, V. Sidorenko
Device for optimizing the mass transfer processes
at the expense of discrete-pulse energy input in
the cultivation of microorganisms// Energetika:
ekonomika, tehnologiyi, ekologiya. 2014. – №4. –
P. 23 – 26
Получено 13.01.2016
Received 13.01.2016
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142248 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:41:08Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ободович, А.Н. Фищенко, А.Н. Сидоренко, В.В. 2018-10-01T17:16:58Z 2018-10-01T17:16:58Z 2016 Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов / А.Н. Ободович, А.Н. Фищенко, В.В. Сидоренко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 1. — С. 25-30. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.1.2016.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142248 663.14. 033, 663.143.2 В статье приведены данные экспериментально-теоретических исследований скорости массопереноса кислорода в культуральной жидкости при культивировании хлебопекарских дрожжей. У статті наведені дані експериментально-теоретичних досліджень швидкості масопереносу кисню в культуральній рідині при культивуванні хлібопекарських дріжджів. The article presents data of experimental and theoretical investigations of the mass flow rate of oxygen in the culture medium during cultivation bakery yeast. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов Effect of the method of descret-pulse energy input on the mass flow rate and microbiogical growth Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов Ободович, А.Н. Фищенко, А.Н. Сидоренко, В.В. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| title_alt | Effect of the method of descret-pulse energy input on the mass flow rate and microbiogical growth |
| title_full | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| title_fullStr | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| title_full_unstemmed | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| title_short | Влияние механизмов ДИВЭ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| title_sort | влияние механизмов дивэ на скорость массопереноса и рост микроорганизмов |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142248 |
| work_keys_str_mv | AT obodovičan vliâniemehanizmovdivénaskorostʹmassoperenosairostmikroorganizmov AT fiŝenkoan vliâniemehanizmovdivénaskorostʹmassoperenosairostmikroorganizmov AT sidorenkovv vliâniemehanizmovdivénaskorostʹmassoperenosairostmikroorganizmov AT obodovičan effectofthemethodofdescretpulseenergyinputonthemassflowrateandmicrobiogicalgrowth AT fiŝenkoan effectofthemethodofdescretpulseenergyinputonthemassflowrateandmicrobiogicalgrowth AT sidorenkovv effectofthemethodofdescretpulseenergyinputonthemassflowrateandmicrobiogicalgrowth |