40 Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х частях. Ч. 2. — М.: Мир, 1989. — 590 с., ил.
ISBN 5-03-001029-7
Фундаментальный труд, написанный известными американскими специалистами в области проектирования, разработки и применения процессов, связанных с переработкой биологических материалов и использованием биологических агентов, в первую очередь ферментов и клеток. Он написан с целью заполнить пробел, часто существующий между биологией и технологией на их пути к биотехнологии.
В русском переводе книга выходит в двух частях.
Вторая часть посвящена собственно вопросам биотехнологии — рассмотрению особенностей биологических реакторов, систем управления и контроля, методов выделения и очистки конечных продуктов, а также экономике биопроцессов.
Предназначена для студентов и преподавателей биологических и технологических специальностей, научных работников, инженеров, работающих в микробиологической и медицинской промышленности.
Глава 9
Проектирование и расчет биологических реакторов
Знание кинетики биологических превращений и процессов массопередачи (этим проблемам были посвящены гл. 7 и 8) необходимо для понимания основных принципов работы биологических реакторов. Чтобы создать полную картину работы биологического реактора, эти два фундаментальных явления необходимо связать с данными о перемешивании газовой и жидкой фаз и о контакте между фазами в реакторе. Для реакторов с различными характеристиками течений и перемешивания нужны различные способы проектирования, расчета и масштабного перехода. Из сказанного следует, что нашей основной задачей в этой главе должна быть разработка общих подходов к расчету биологических реакторов, в которых учитывалась бы совокупность всех указанных явлений, факторов и характеристик.
При изучении кинетики клеточного роста в гл. 7 мы подчеркивали сложную, многофазную, согласованную природу процессов с участием живых клеток, происходящих в биореакторах. В этой связи мы рассмотрели различные приближения и допущений, которые могли бы упростить описание кинетики роста популяций клеток и вывод математических выражений, применимых в практических расчетах; в то же время мы старались свести к минимуму погрешности, обусловленные этими приближениями и допущениями. С подобными проблемами мы столкнемся и в ходе изучения методов проектирования, расчета и анализа биологических реакторов. Здесь мы рассмотрим многосторонние взаимосвязи между обсуждавшейся ранее сложной кинетикой клеточного роста и сложными процессами течения жидкой фазы (или газожидкостной дисперсной системы), перемешивания и теплопередачи. В этой главе мы изучим влияние масштаба процесса или объема реактора на перемешивание, структуру течений, явления тепло- и массообмена в реакторе, а также многостороннее взаимное влияние течений и явлений переноса, с одной стороны, и кинетики биокаталитиче-ских процессов, с другой. Основное внимание в настоящей главе будет уделено описаниям контакта взаимодействующих фаз в реакторе и взаимосвязи между характером этого контакта и
Оглавление
Глава 9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ............... 5
9.1. Идеальные биореакторы........... 8
9.1.1. Реакторы периодического действия с добавлением субстрата 9
9.1.2. Реакции в ПРПП, катализируемые ферментами ... 10
9.1.3. Проточные реакторы с полным перемешиванием для культур клеток и пристеночный рост клеток...... 12
9.1.4. Идеальный трубчатый реактор полного вытеснения (ТРПВ) 15
9.2. Динамика процессов в реакторах......... 20
9.2.1. Динамические модели.......... 20
9.2.2. Устойчивость............. 24
9.3. Реакторы с неидеальным перемешиванием....... 29
9.3.1. Время выравнивания концентраций в реакторах с перемешиванием .............. 31
9.3.2. Распределение времени пребывания....... 33
9.3.3. Модели неидеальных реакторов........ 42
9.3.4. Взаимосвязь между перемешиванием и биологическими превращениями ............. 57
9.4. Стерилизаторы.............. 74
9.4.1. Периодическая стерилизация......... 76
9.4.2. Непрерывная стерилизация......... 82
9.5. Иммобилизованные биокатализаторы........ 86
9.5.1. Типы биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток и их свойства ............ 90
9.5.2. Применение биокатализаторов на основе- иммобилизованных клеток............... 94
9.6. Биореакторы с многофазными системами....... 102
9.6.1. Превращение нерастворимых субстратов..... 102
9.6.2. Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора . . . 105
9.6.3. Биореакторы типа барботажных колонн..... 107
9.6.4. Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора 111
9.6.5. Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости........... 116
9.7. Технология микробиологических процессов...... 119
9.7.1. Подбор состава среды.......... 120
9.7.2. Проектирование типичного асептического аэробного микробиологического процесса и его ведение...... 123
9.7.3. Биореакторы других типов......... 128
9.8. Особенности технологии процессов с участием растительных и животных клеток и соответствующих реакторов..... 131
9.8.1. Культивирование животных клеток; требования к среде 135
9.8.2. Промышленные реакторы для крупномасштабных процессов
с участием животных клеток......... 138
9.8.3. Культивирование растительных клеток...... 146
9.9. Заключение............... 151
Упражнения................ 152
Литература............... 164-
Глава 10. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ БИОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ............... 169-
10.1. Детекторы для определения физических и химических параметров среды и газов............. 169-
10.1.1. Детекторы для определения физических свойств среды и газов.............. 171
10.1.2. Детекторы для определения химического состава среды 173>
10.1.3. Газовый анализ........... 181
10.2. Детекторы для непрерывного контроля характеристик популяции клеток............... 183
10.3. Автономные методы анализа.......... 188
10.3.1. Определение свойств среды........ 189
10.3.2. Анализ состава популяции клеток...... 191
10.4. ЭВМ и интерфейсы............ 202
10.4.1. Основные элементы цифровых ЭВМ...... 204
10.4.2. Интерфейсы и периферийные устройства ЭВМ . . . 206
10.4.3. Системы программного обеспечения...... 211
10.5. Анализ данных.............. 213
10.5.1. Сглаживание и интерполяция данных..... 214
10.5.2. Оценка параметров и состояния системы..... 216
10.6. Управление процессами биохимической технологии . . . . 219
10.6.1. Непосредственное управление процессами .... 220
10.6.2. Каскадное управление метаболизмом...... 224
10.7. Прогрессивные методы управления биопроцессами .... 228
10.7.1. Программированное управление процессами в биореакторах периодического действия ........ 229
10.7.2. Расчет и стратегия эксплуатации промышленных периодических процессов........... 237
10.7.3. Управление непрерывными процессами..... 241
10.8. Заключение............... 245
Упражнения................ 246
Литература............... 251
Глава 11. ОПЕРАЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ БИОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ........... 255
11.1. Отделение клеток и нерастворимых твердых материалов . . 257
11.1.1. Фильтрование............ 260
11.1.2. Центрифугирование........... 264
11.1.3. Седиментация............ 267
11.1.4. Перспективные методы выделения биомассы .... 270
11.1.5. Заключение............. 270
11.2. Первичное выделение..... . 271
11.2.1. Экстракция..... ' .271
11.2.2. Сорбция...... .277
11.3. Осаждение............... 279
11.3.1. Кинетика образования осадка........ 285
11.4. Хроматография и адсорбция в неподвижном слое; периодические операции с селективной адсорбцией ...... 289
, 11.5. Разделение с помощью мембран......... 303
11.5.1. Обратный осмос........... 303
11.5.2. Ультрафильтрация........... 307
11.6. Электрофорез.............. 310
11.7. Сочетание нескольких операций разделения..... 311
11.7.1. Иммобилизованные клетки........ 313
11.7.2. Операции переработки цельного бульона .... 313
11.7.3. Рециркуляция и операции выделения..... 316
11.8. Последовательность операций выделения продуктов процессов
биохимической технологии.......... 318
11.8.1. Выделение ферментов в промышленных процессах . . 31Sr ГГ.8.2. Выделение внутриклеточных чужеродных белков из куль-
тур рекомбинантных Е. coli........ 3~?
11.8.3. Выделение полисахаридов......... 3^J
11.8.4. Выделение антибиотиков.......... **г
11.8.5. Выделение органических кислот....... ЗА*
11.8.6. Выделение этанола.......... *~j"'
11.8.7. Выделение белка одноклеточных организмов . . . ЗоО
11.9. Заключение .............. 334
Упражнения................ ЗоО
Литература............... 3*4
Глава 12. ЭКОНОМИКА ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ............... 346
12.1. Экономика технологических процессов....... 347
12.2. Контроль за качеством продукции биохимической технологии 350
12.3. Общий экономический анализ процессов биохимической технологии ................ 352
12.4. Экономический анализ биопроцесса........ ооо
12.5. Химические продукты тонких биотехнологических процессов 370
12.5.1. Ферменты............. 370
12.5.2. Производство белков с помощью рекомбинантных ДНК 371
12.5.3. Антибиотики............ 374
12.5.4. Витамины, алкалоиды, нуклеозиды, стероиды . . . 379"
12.5.5. Моноклональные антитела......... 382
12.6. Кислородсодержащие химические продукты массового производства ................. 3°7
12.6.1. Пивоварение и виноделие......... 387
12.6.2. Производство спирта в качестве топлива..... 393
12.6.3. Производство органических кислот и аминокислот . . 399
12.7. Белок одноклеточных организмов........ 407
12.8. Анаэробные процессы производства метана...... 411
12.9. Заключение.............. 413-
Упражнения................ 414
Литература............... 417
Глава 13. ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СМЕШАННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ МИКРООРГАНИЗМОВ....... 419
13.1. Нейтрализм, мутуализм, комменсализм и аменсализм . . . 419
13.2. Классификация взаимодействий между двумя видами . . . 427
13.3. Конкуренция: выживание наиболее приспособленного вида 432
13.3.1. Анализ межвидовой конкуренции по Вольтерра . . . 432
13.3.2. Конкуренция и отбор в хемостате....... 436
13.4. Хищничество и паразитизм.......... 442
13.4.1. Описание колебаний численности видов в системе хищник — жертва с помощью модели Лотки — Вольтерры 443
13.4.2. Применение модели Лотки — Вольтерры к системам, состоящим из многих видов......... 447
13.4.3. Другие модели системы один вид хищников — один вид жертв.............. 449
13.5. Влияние количества видов и сети их взаимодействий . . . 457
13.5.1. Трофические уровни, пищевые цепи и пищевые сети; определения и пример.......... 457
13.5.2. Изучение динамики популяций с помощью моделей в форме закона действующих масс........ 459
13.5.3. Качественная устойчивость........ 465
13.5.4. Устойчивость сложных неупорядоченных пищевых сетей 467
13.5.5. Бифуркации и усложненная динамика..... 469
13.6. Расположение популяций в пространстве...... 471
Упражнения................ 476
Литература............... 481
Глава 14. СМЕШАННЫЕ ПОПУЛЯЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРОЦЕССАХ............. 484
14.1. Применение смешанных культур определенного состава . . 486
14.2. Естественные смешанные популяции микроорганизмов и их роль
в производстве и порче продуктов........ 494
14.3. Участие микроорганизмов в естественных кругооборотах веществ .497 14.3.1. Кругооборот необходимых для жизни химических элементов............... 498
14.3.2.-Взаимосвязи"микроорганизмов в почве и некоторых других естественных экосистемах........ 502
14.4. Биологическая очистка сточных вод........ 507
14.4.1. Основные характеристики сточных вод..... 511
14.4.2. Процессы с участием активного ила...... 513
14.4.3. Проектирование и моделирование процессов с участием активного ила............ 519
14.4.4. Аэробная переработка ила......... 529
14.4.5. Нитрификация............ 531
14.4.6. Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров .......... 533
14.4.7. Анаэробная переработка отходов....... 538
14.4.8. Математическое моделирование динамики процесса анаэробной переработки ила......... 542
14.4.9. Анаэробная денитрификация........ 554
14.4.10. Отделение фосфорсодержащих соединений .... 555 Упражнения................ 555
Литература............... 562
Указатель................. 564
Цена: 250руб.
