Тепло- и массообмен между клеткой и культуральной средой при аэробном культивировании хлебопекарных дрожжей
УДК 664
Тепло- и массообмен между клеткой и культуральной средой при аэробном культивировании хлебопекарных дрожжей
В.Б. ТИШИН, В.Г. ОГАННИСЯН, А.В. ЛЕОНОВ tishinvb@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
На основе полуэмпирической теории турбулентного переноса и закон распада турбулентных пульсаций в четвертой степени в тепловых и диффузионных слоях, окружающих дрожжевые клетоки, показана возможность решения проблемы тепло-и массообмена между клеткой и культуральной жидкости. Ключевые слова: тепломассобмен, дрожжи, аэробное культивирование.
Heat- and mass transfer between cells and culture medium for aerobic cultivation baker's yeast
V.B. TISHIN, V.G. OGANNISYAN, A.V. LEONOV
National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
On the basis of the semi-empirical theory of turbulent transport and the law decay of turbulent fluctuations in the fourth degree in the thermal and diffusion layers surrounding the yeast cell, the possibility of solving the problem of heat transfer and mass transfer between the cell and the culture fluid is shown. Keywords: heat and mass exchange, yeast, aerobic cultivation.
Дрожжи относятся к гетеротрофным культурам, потребляющим в процессе своего развития органические вещества. При культивировании пекарских дрожжей чаще всего используются углеводы (сахара). Процесс культивирования ведѐтся в условиях интенсивной аэрации культуральной среды, особенно на товарной стадии процесса, с целью обеспечения дрожжевых клеток необходимым количеством кислорода. При этом в процессе культивирования выделяется значительное количество теплоты, которую необходимо постоянно отводить.
Известно, что интенсивность тепловыделений прямо пропорциональна интенсивности потребления клетками кислорода и не зависит от вида субстрата и микроорганизмов. Но так как кислород расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток и их рост, то изменение удельных тепловыделений может быть выражено уравнением
qb
ax
b dx ,
d
(1)
где qb – удельное значение биологической теплоты, выделившейся в единице объема среды в единицу времени, или еѐ можно назвать ещѐ
удельной мощностью биологического источника теплоты Nb /Vp ,
Дж/(м3*с). Коэффициент a представляет собой количество теплоты, выделившейся при поддержании жизнедеятельности единицы биомассы в единицу времени, Дж/(кг*с); коэффициент b – количество теплоты, выделившейся при образовании новых клеток, отнесѐнных к единице биомассы, Дж/кг.
Первое слагаемое уравнения (1) играет преобладающую роль в стационарной фазе роста, когда основные тепловыделения связаны с поддержанием жизнедеятельности клеток и ax >>bdx / d . Второе слагаемое характеризует тепловыделения в фазе прироста биомассы, когда ax
Тепло- и массообмен между клеткой и культуральной средой при аэробном культивировании хлебопекарных дрожжей
В.Б. ТИШИН, В.Г. ОГАННИСЯН, А.В. ЛЕОНОВ tishinvb@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
На основе полуэмпирической теории турбулентного переноса и закон распада турбулентных пульсаций в четвертой степени в тепловых и диффузионных слоях, окружающих дрожжевые клетоки, показана возможность решения проблемы тепло-и массообмена между клеткой и культуральной жидкости. Ключевые слова: тепломассобмен, дрожжи, аэробное культивирование.
Heat- and mass transfer between cells and culture medium for aerobic cultivation baker's yeast
V.B. TISHIN, V.G. OGANNISYAN, A.V. LEONOV
National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
On the basis of the semi-empirical theory of turbulent transport and the law decay of turbulent fluctuations in the fourth degree in the thermal and diffusion layers surrounding the yeast cell, the possibility of solving the problem of heat transfer and mass transfer between the cell and the culture fluid is shown. Keywords: heat and mass exchange, yeast, aerobic cultivation.
Дрожжи относятся к гетеротрофным культурам, потребляющим в процессе своего развития органические вещества. При культивировании пекарских дрожжей чаще всего используются углеводы (сахара). Процесс культивирования ведѐтся в условиях интенсивной аэрации культуральной среды, особенно на товарной стадии процесса, с целью обеспечения дрожжевых клеток необходимым количеством кислорода. При этом в процессе культивирования выделяется значительное количество теплоты, которую необходимо постоянно отводить.
Известно, что интенсивность тепловыделений прямо пропорциональна интенсивности потребления клетками кислорода и не зависит от вида субстрата и микроорганизмов. Но так как кислород расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток и их рост, то изменение удельных тепловыделений может быть выражено уравнением
qb
ax
b dx ,
d
(1)
где qb – удельное значение биологической теплоты, выделившейся в единице объема среды в единицу времени, или еѐ можно назвать ещѐ
удельной мощностью биологического источника теплоты Nb /Vp ,
Дж/(м3*с). Коэффициент a представляет собой количество теплоты, выделившейся при поддержании жизнедеятельности единицы биомассы в единицу времени, Дж/(кг*с); коэффициент b – количество теплоты, выделившейся при образовании новых клеток, отнесѐнных к единице биомассы, Дж/кг.
Первое слагаемое уравнения (1) играет преобладающую роль в стационарной фазе роста, когда основные тепловыделения связаны с поддержанием жизнедеятельности клеток и ax >>bdx / d . Второе слагаемое характеризует тепловыделения в фазе прироста биомассы, когда ax