Оценка технологических показателей стационарного состояния технологического процесса синтеза с нелинейной кинетикой роста микроорганизмов

Разработаны теоретические основы расчета технологических показателей стационарного состояния биотехнологического процесса с нелинейной кинетикой роста микроорганизмов. Целью разработки являлось получение общей методологической основы для вычисления входных показателей, определяющих реальное осуществление технологии с учетом всех возможных ограничений на концентрацию поступающего субстрата, Sf , г/л, и величину протока, D, ч-1 . Разработка теории базировалась на использовании математической модели одного из наиболее распространенных процессов получения молочной кислоты. Математическая модель включает три уравнения материального баланса (по биомассе, субстрату и продукту) и уравнение кинетики роста микроорганизмов. Получены расчетные соотношения для вычисления предельного значения величины протока, Dпред , при заданном Sf , соотношения для максимального и минимального значения Sf , а также показатели Sf и D, обеспечивающие максимальное значение продуктивности, QP, г/(л×ч), где QP = PD (P – концентрация продукта, г/л). Разработаны соотношения для расчета показателей возможной реализации процесса для двух вариантов при одном и том же значении QP: при заданном Sf вычисляются два значения D и при заданном D вычисляются два значения Sf . Приведен численный эксперимент с использованием констант математической модели, подтвержденных исследованиями зарубежных ученых. Численный эксперимент проиллюстрирован портретом зависимости Sf от D, определяющим область допустимых значений Sf и D, расчет показателей по которой разделен на части по Sf . Приведены расчетные формулы по каждой из частей. В заключении отмечено, что разработанная теоретическая база носит достаточно общий характер и может быть распространена на технологии биотехнологических процессов с другими кинетическими соотношениями, штаммами микроорганизмов, образующими побочные продукты и использующими сырье, из которого воспроизводится субстрат в процессе синтеза.

1. Смирнов В. А. Пищевые кислоты. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 264 с.

2. Mirasol F. Lactic acid prices falter as competition toughen // Chemical Market Reporter. 1999. Vol. 255, no. 9. P. 16.

3. Datta R., Henry M. Lactic acid: recent advances in products, processes and technologies – a review // Journal of Chemical Technology and Biotehnology. 2006. Vol. 81, no. 7. P. 1119–1129. https://doi.org/10.1002/jctb.1486.

4. Wee Y.-J., Kim J.-N., Ryu H.-W. Biotechnological production of lactic acid and its recent applications // Food Technology and Biotechnology. 2006. Vol. 44, no. 2. P. 163–172.

5. Vijayakumar J., Aravindan R., Viruthagiri T. Recent trends in the production, purification and application of lactic acid // Chemical and Biochemical Engineering. 2008. Vol. 22, no. 2. P. 245–264.

6. Komesu A., de Oliveira J. A. R., da Silva Martins L. H., Wolf Maciel M. R., Maciel Filho R. Lacticacid production to purification: a review // Bioresources. 2017. Vol. 12, no. 2. P. 4364–4383. https://doi.org/10.15376/biores.12.2.Komesu.

7. Hofvendahl K., Hahn-Hӓgerdal B. Factors affecting the fermentative lactic acid production from renewable resources // Enzyme and Microbial Technology. 2000. Vol. 26, no. 2-4. P. 87–107. https://doi.org/10.1016/S0141-0229(99)00155-6.

8. Gordeev L. S., Koznov A. V., Skichko A. S., Gordeeva Y. L. Unstructured mathematical models of lactic acid biosynthesis kinetics: a review // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Vol. 51, no. 2. P. 175–190. https://doi.org/10.1134/S0040579517020026.

9. Bouguettoucha A., Balannec B., Amrane A. Unstructured models for lactic acid fermentation – a review // Food Technology and Biotechnology. 2011. Vol. 49, no. 1. P. 3–12.

10. Gordeeva Y. L., Rudakovskaya E. G., Gordeeva E. L., Borodkin A. G. Mathematical modeling of biotechnological process of lactic acid production by batch fermentation: a review // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. Vol. 51, no. 3. P. 282–298. https://doi.org/10.1134/S0040579517030058.

11. Henson M. A., Seborg D. E. Nonlinear control strategies for continuous fermenters // Chemical Engineering Science. 1992. Vol. 47, no. 4. P. 821– 835. https://doi.org/10.1016/0009-2509(92)80270-M.

12. Kumar G. P., Subrahmanya S. J. V. K., Chidambaram M. Periodic operation of a bioreactor with input multiplicities // Canadian Journal of Chemical Engineering. 1993. Vol. 71, no. 5. P. 766–770. https://doi.org/10.1002/cjce.5450710515.

13. Ruan L., Chen X. D. Comparison of several periodic operations of a continuous fermentation process // Biotechnology Progress. 1996. Vol. 12, no. 2. P. 286–288. https://doi.org/10.1021/bp960006l.

14. Saha P., Patwardhan S. C., Ramahandra R. V. S. Maximizing productivity of a continuous fermenter using nonlinear adaptive optimizing control // Biotechnology and Bioprocess Engineering. 1999. Vol. 20. P. 15–21. https://doi.org/10.1007/S004490050553.

15. Гордеева Ю. Л., Меньшутина Н. В., Гордеева Е. Л., Комиссаров Ю. А. Алгоритм обеспечения реальных условий множественности в процессах микробиологического синтеза при заданной величине протока // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. 2016. N 2. C. 60–72.

16. Gonzales K., Tebbano S., Lapes F., Thorigne A., Givry S., Dumar D., et al. Modeling the continuous lactic acid production process from wheat flour // Applied Microbiology and Biotechnology. 2016. Vol. 100. P. 147–159. https://doi.org/10.1007/s00253-015-6949-7.

17. Vazquez J. A., Murado M. A. Unstructured mathematical model for biomass, lactic acid and bacteriocin production by lactic acid bacteria in batch fermentation // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2008. Vol. 83, no. 1. P. 91–96. https://doi.org/10.1002/jctb.1789.

18. Nandasana A. D., Kumar S. Kinetic mode-ling of lactic acid production from molasses using Enterococcus faecalis RKY1 // Biochemical Engineering Journal. 2008. Vol. 38, no. 3. P. 277–284. https://doi.org/10.1016/j.bej.2007.07.014.

19. Djukić-Vuković A. P., Mojović L. V., Vukašinović-Sekulić M. S., Nikolić S. B., Pejin J. D. Integrated production of lactic acid and biomass on distillery stillage // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2013. Vol. 36, no. 9. P. 1157–1164. https://doi.org/10.1007/s00449-012-0842-x.

20. Flores-Albino B., Arias L., Gómez J., Castillo A., Gimeno M., Shirai K. Chitin and L(+)-lactic acid production from crab (Callinectes bellicosus) wastes by fermentation of Lactobacillus sp. B2 using sugar cane molasses as carbon source // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2012. Vol. 35, no 7. P. 1193–1200. https://doi.org/10.1007/s00449-012-0706-4.

21. García-Diéguez C., Salgado J. M., Roca E., Domínguez J. M. Kinetic modelling of the sequential production of lactic acid and xylitol from vine trimming wastes // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2011. Vol. 34, no 7. P. 869–878. https://doi.org/10.1007/s00449-011-0537-8.