Биореакторы с мембранными устройствами газового питания для культивирования дрожжей Saccharomyces cerevisiae тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.06, кандидат наук Шавалиев, Марат Фаридович

• Шавалиев, Марат Фаридович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шавалиев, Марат Фаридович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 МЕМБРАННЫЕ УСТРОЙСТВА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА МИКРОБНОГО РОСТА

1.1 Конструкции биореакторов с мембранным устройством газового питания

1.2 Теоретические основы массопереноса кислорода через непористые мембраны

1.3 Потребность микроорганизмов в кислороде. Сравнительная энергоэффективность аэробного роста и анаэробиоза

1.4 Теоретические основы расчета материального баланса микробного роста

1.5 Технологические риски в процессах выращивания чистых культур в аэробных условиях

1.6 Постановка задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ БИОРЕАКТОРОВ С МЕМБРАННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ

2.1 Колонные биореакторы с осевым и винтовым движением потока

2.2 Технические испытания мембранного устройства

2.2.1 Оценка изменения деформации мембраны при многократной стерилизации

2.2.2 Оценка провисания трубчатых мембран при максимальном давлении

2.2.3 Оценка рабочего объема аппаратов и удельной поверхности мембран

2.3 Исследование гидродинамики жидкостного потока

2.3.1 Материалы и методы исследования гидродинамики

2.3.2 Исследование режима течения потока в биореакторе

2.3.3 Выбор типа и идентификация гидродинамической модели биореактора

2.4 Оценка параметров массообмена кислорода в биореакторах с мембранными устройствами газового питания

2.4.1 Материалы и методы выполнения исследований

2.4.2 Оценка массообменных характеристик биореакторов

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫРАЩИВАНИЯ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В БИОРЕАКТОРЕ С МЕМБРАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ

3.1 Материалы и методы исследования процессов выращивания инокулята спиртовых дрожжей

3.1.1 Характеристика спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae

3.1.2 Питательная среда

3.1.3 Методы технохимического контроля

3.1.4 Технологическая схема и управление процессом выращивания спиртовых дрожжей

3.2 Режимы культивирования и микробиологический контроль процесса

3.4 Методика расчета стехиометрических параметров роста спиртовых дрожжей в стационарном режиме культивирования

3.5 Удельные затраты энергии и доля популяции, обеспеченная кислородом, в стационарном процессе выращивания инокулята спиртовых дрожжей

4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО БИОРЕАКТОРА КОЛОННОГО ТИПА

4.1 Проблема масштабирования биореактора

4.2 Рекомендации по технологической обвязке инокулятора промышленного масштаба

4.3 Разработка технического задания на промышленный образец инокулятора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биореакторы с мембранными устройствами газового питания для культивирования дрожжей Saccharomyces cerevisiae»

ВВЕДЕНИЕ

Во всем мире все более интенсивно ведутся работы по созданию и совершенствованию технологий производства топлив из возобновляемого сырья. Проблема замены ископаемых топлив альтернативными источниками энергии актуальна и для Российской Федерации. Даже в нефтедобывающей Республике Татарстан, на территории которой за последние 60 лет XX века было извлечено 3 млрд.т нефти, оставшиеся ресурсы нефти оцениваются примерно в 1,7 млрд.т, которые при современном уровне добычи будут сработаны в среднем за 30 лет [1]. Запасы угля оцениваются в 3,4 млрд.т [1] и их должно по прогнозам хватить для производства химического сырья и энергии на 60-70 лет. Таким образом, в течение XXI века должна быть полностью изменена ресурсно-сырьевая база топливной промышленности.

Одним из перспективных процессов является производство биоэтанола, масштабы применения которого стремительно возрастают [2]. Совокупный среднегодовой темп роста (САвЯ) объемов производства биоэтанола в мире с 2002 г. по 2007 г. составил 19,0% [3]. Всего в 2008 г. в мире было произведено 65,61 млн. т биоэтанола. Бразилия и США являются лидерами в мировом промышленном производстве этанола, совместно они производят 70 процентов мирового объема этого продукта и используют почти 90 процентов этанола в качестве топлива. Также наращивается производство этанола в ЕС, Китае, Канаде, Таиланде, Колумбии, Индии, Австралии [4].

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Однако, в ведущих странах мира ведутся работы по созданию технологий производства биоэтанола и других биоспиртов второго поколения из целлюлозосодержащего сырья [4].

Сырье для организации производства топливного спирта в начальный период энергетического перепрофилирования хозяйства должно соответствовать ряду требований [5]:

- возможность незамедлительного использования;

- возможность производства дополнительной продукции за счет фракционирования сырья и (или) переработки вторичных материалов основного производства, а также комплексирования производств и межотраслевой кооперации;

- наличие готовых технологий и научных заделов, гарантирующих высокое качество продукции и экономическую эффективность производства;

- возможность наращивания сырьевой базы.

Этим требованиям отвечают сахарная свекла, некондиционное зерно, отруби, технологическая щепа из мягколиственных пород, отходы лесопереработки, свекловичный жом, жмыхи и солома.

Общий объем возобновляемого органического сырья, которое может быть произведено и добыто на территории Республики Татарстан, может обеспечить производство топливного этанола в количестве до 500 ООО т в год [6].

Эффективное использование этого сырьевого потенциала будет определяться технологией его переработки, в том числе аппаратурным оформлением процессов.

Производство биоспиртов включает две стадии: наращивание биомассы дрожжей и собственно брожение. При этом в анаэробных условиях рост дрожжевых клеток не прекращается. Традиционное выращивание посевных материалов в спиртовых производствах РФ до сих пор осуществляется лишь в анаэробных условиях. При этом, вследствие низкой энергетической эффективности процесса брожения, рост биомассы замедлен и сопровождается повышенным удельным расходом субстрата. Поэтому в настоящее время все шире применяется аэробная дрожжегенерация. Она может осуществляться в традиционном режиме при аэрации культуральной жидкости воздухом или в интенсивных режимах с применением кислорода, переносчиков кислорода [7-10], перекиси водорода (последняя используется,

например, в процессе получения пищевого спирта по финской технологии на Буинском спиртзаводе, Республика Татарстан).

Анаэробное культивирование чистой культуры дрожжей осуществляют в несколько этапов путем их многократного пересева во все большие объемы сусла. Аэробное культивирование позволяет существенно ускорить процесс и реализуется, чаще всего, при аэрации воздухом. И в том, и в другом случае участок подготовки посевных дрожжей подвержен заражению посторонней микрофлорой [11], развитие которой снижает выход готовой продукции и ухудшает ее качество. Для подавления роста посторонней микрофлоры обычно вводят серную кислоту, понижающую рН до 3,0-3,5. Однако этот прием заметно подавляет и активность спиртовых дрожжей, вследствие чего падает продуктивность дрожжерастильных аппаратов.

Поэтому для снижения уровня инфицирования спиртового производства и повышения активности спиртовых дрожжей предлагаются варианты выращивания чистой культуры спиртовых дрожжей в стерильных условиях по интенсивной технологии, дающей высокую плотность дрожжевой популяции. Аэробная технология получения чистой культуры спиртовых дрожжей позволяет сохранять селективные свойства исходного промышленного штамма, препятствует постепенному вытеснению высокопродуктивной части популяции дрожжей малопродуктивной. Производимые в аэробных условиях дрожжи обладают высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот и трегалозы, что обеспечивает им высокую спиртотолерантность [7-10].

Реализация эффективных аэробных процессов культивирования дрожжей сопряжена с проблемой обеспечения асептических условий подвода кислорода. При глубинном культивировании аэробных микроорганизмов требуется непрерывная подача кислорода в ферментеры, осуществляемая путем продувания стерильного воздуха через культуральную жидкость. Воздух, подаваемый на аэрацию, должен быть очищен на 99,9% от примесей и микроорганизмов размером до 1 мкм. Наибольшее распространение

получил метод фильтрации воздуха через волокнистые (стекловата, базальтовое волокно, бумага, картон), пористые (полимеры, металлокерамика) или зернистые материалы, но и он не обеспечивает нужной степени очистки [12]. Известны способы асептического ввода кислорода через непористые мембраны [12, 13]. Новый подход к проблеме аэрации в процессе аэробного выращивания посевных материалов в спиртовом производстве заключается в подаче чистого кислорода или обогащенного кислородом воздуха в дрожжерастильный аппарат через непористые полимерные мембраны. При этом гарантированно обеспечивается стерильность газового потока, поскольку поток газа через мембрану дробится до уровня отдельных молекул, а частицы большего размера (бактерии, споры и даже вирусы) не проходят между волокнами полимера. В случае применения чистого кислорода происходит его практически полное потребление культурой, при этом существенно снижается пенообразование. Использование чистого кислорода становится экономически оправданным и за счет существенного увеличения движущей силы процесса массопередачи. Конечно, интенсивность массопередачи кислорода в мембранном реакторе не достигает значений, характерных для аппаратов с барботажными устройствами, но для целей получения посевного материала оказывается достаточной [12].

Задачей автора являлось изучение альтернативных вариантов конструкций биореакторов с мембранными устройствами подвода кислорода с целью выбора аппарата для линии чистой культуры спиртовых дрожжей, а также рассмотрение проблематики расчета стехиометрии процессов роста спиртовых дрожжей в переменных условиях ограниченного обеспечения популяции спиртовых дрожжей кислородом.

Теоретической основой построения стехиометрических соотношений, используемых в анализе процесса выращивания спиртовых дрожжей, являлись:

- концепции «парциального обмена» и «физиологического базиса» Ерошина и Минкевича [14-18].

- методика описания динамики процессов микробиологического синтеза на основе дифференциальной формы записи стехиометрических инвариантов Мухачева [19].

Результаты выполненной работы могут непосредственно использоваться при проектировании инокуляторов промышленного масштаба и линий чистых культур спиртовых дрожжей и других аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов. Масштабный переход от лабораторного биореактора к промышленному не представляет проблемы, поскольку в промышленной конструкции должны быть сохранены параметры применяемых мембран (диаметр, толщина) и их удельная поверхность. Таким образом, промышленные инокуляторы могут состоять из рабочих ячеек, параметры которых полностью отработаны на лабораторных моделях [20, 21].

Работа выполнена в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета. Отдельные результаты работы использованы при выполнении грантов Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере [22, 23].

Автор выражает глубокую признательность за научное руководство доценту Мухачеву С.Г. и особую благодарность доценту Валеевой Р.Т. за постоянную помощь в выполнении экспериментальных исследований.

1 МЕМБРАННЫЕ УСТРОЙСТВА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА МИКРОБНОГО РОСТА

1.1 Конструкции биореакторов с мембранным устройством газового

питания

Традиционно название «мембранный реактор» относится к случаю отбора фильтрата культуральной жидкости, т.е. к так называемому «внутреннему рециклу биомассы». Этот прием позволяет вести процессы при низких концентрациях субстрата в исходных средах или в случаях, когда необходим повышенный проток среды, например, для уноса токсичных метаболитов. Чтобы не возникло неверного толкования, при описании разрабатываемых нами конструкций биореакторов, термин «мембранный реактор» не применялся. Рассматриваемые в настоящей работе конструкции аппаратов относятся по существу к реакторам с диффузионно-проницаемыми мембранами, предназначенными для транспортировки субстратов, в том числе компонентов газового питания [22, 24]. Бирюковым В.В. описана конструкция реактора с трубчатой мембраной, заполненной биокатализатором. При этом подчеркнуто то обстоятельство, что «массопередача кислорода за счет диффузии через стенку трубки недостаточна по сравнению с прямой массопередачей жидкость-газ с интенсивным перемешиванием» [24].

Тем не менее, фирма «B.Braun» осуществила разработку и выпуск лабораторных биореакторов с трубчатыми мембранами, селективными по отношению к транспорту кислорода [25]. При этом реактор был снабжен стандартной мешалкой, что, действительно, не позволяло разместить в рабочей зоне мембрану с величиной поверхности, необходимой для достижения скорости транспорта кислорода, достаточной для выращивания посевного материала аэробных культур средней плотности. Но даже и в этом случае аэробный процесс наращивания биомассы спиртовых дрожжей

оказался более предпочтительным по сравнению с анаэробной дрожжегенерацией [12]. Конструкции биореакторов фирмы «B.Braun» и ООО «Фермент», исследованные в ряде работ Александровской Ю.П., по принципу работы близки к «колонному мембранному биореактору» [24]. На рисунке 1.1 показан внешний вид крышки такого реактора с закрепленным на ней приводом многоярусной мешалки и «рулонным блоком» непористой мембраны из полидиметилсилоксана для беспузырькового ввода кислорода. Мембрана закреплена (навита) на несущем перфорированном цилиндре. Вследствие низкой удельной скорости диффузии кислорода через мембрану, в полость мембраны подается не воздух, а технический кислород под избыточным давлением до 0,25 МПа.

Рисунок 1.1— Мембранное аэрирующее устройство для исследовательского биореактора с

механическим перемешиванием

В работе Ю. П. Александровской так же исследовалась возможность повышения давления кислорода до 0,5 МПа, однако при изменении избыточного давления кислорода в полости мембраны от 0,225 до 0,25 МПа происходит скачкообразное, неравномерное по длине увеличение диаметра полимерной трубчатой мембраны, что объясняется достижением предела упругости [12]. Данный факт вносит некоторую неопределенность и

неконтролируемость в рабочие характеристики биореактора и поэтому в реальных условиях применения полимерных мембран желательно исключить неконтролируемую динамику свойств мембран под действием физических факторов.

1.2 Теоретические основы массопереноса кислорода через непористые

мембраны

Мембрана - это фаза или группа фаз, которые разделяют две различные фазы, отличающиеся физически и/или химически от фаз мембраны; при этом мембрана обладает свойствами, позволяющими ей под действием приложенного силового поля управлять процессами массопереноса между разделяемыми фазами [26, 27]. Управление процессом массопереноса через мембрану определяется свойствами селективной растворимости транспортируемого вещества, перепадами давления, температуры или концентрации веществ.

Мембраны классифицируются по фазовому состоянию и материалу, способу получения, структуре, способу разделения смесей, условиям потери разделительных свойств, области применения [28].

Мембраны могут быть природного происхождения или синтетические, нейтральные или заряженные, твердые, жидкие или гелеобразные [29].

Наибольший практический интерес представляют полимерные мембраны. Они могут быть пористыми (перфорированными) и непористыми (мембраны растворимости).

Для беспузырькового ввода кислорода в культуральную жидкость при культивировании микроорганизмов могут применяться только мембраны растворимости, желательно пермеабельные, т.е. избирательно проницаемые для молекул кислорода [30].

Состояние полимера очень сильно влияет на его механические, химические, термические свойства и проницаемость. При рассмотрении плотной непористой мембраны, выбор полимерного материала определяющим образом влияет на свойства мембраны и особенно важным параметром является температура стеклования Тст. При переходе из стеклообразного в высокоэластичное состояние меняются физические свойства полимера: модуль упругости, удельный объем, теплоемкость, коэффициент преломления и проницаемость. Массоперенос газов и паров через непористые мембраны сильно зависит от состояния полимера. Проницаемость в общем случае ниже в стеклообразном, чем в высокоэластическом состоянии [29]. Однако, для целей использования полимерных мембран в биотехнологии большее значение имеет зависимость состояния полимерной мембраны от перепада давления, которая может быть описана в широком диапазоне давления на основе функции Хевисайда [31].

Практическое значение имеет и селективность мембран. Например, для обеспечения культуры клеток кислородом предпочтительны мембраны, растворимость кислорода в веществе которых максимальна и превышает растворимость азота (табл. 1.1).

Таблица 1.1- Температура стеклования и проницаемость по отношению к азоту и кислороду для различных полимеров [29]

Полимер Т 1 ст> °с Проницаемость ^идеал

Р0г, баррер* Рщ, баррер*

Полидиметилсилоксан -123 600,0 280,0 2,2

Полиэтилен -120 6,6 2Д 3,2

Бутилкаучук -65 1,3 0,3 4,3

Поливинилиденфторид -40 0,24 0,055 4,4

Полиметилпентен 30 37,2 8,9 4,2

Полиамид (найлон 6) 50 0,093 0,025 2,8

Полиметилметакрилат 110 1,2 0,22 5,2

Поливинилтриметилсилан 170 36,0 8,0 4,5

*1 баррер = Ю"10 см3(н.у.) см см"2 с"1- (см.рт.ст."1)

Применяемый термин «непористые» в отношении ряда полимерных мембран условен, поскольку всегда имеются поры молекулярного размера между нитями полимерных веществ. Эти поры образуют свободный объем, не занятый макромолекулами и в основном определяющий величину растворимости газов.

Для большинства стеклообразных полимеров доля свободного объема у/г составляет приблизительно 0,025, причем эта величина считается

константой. В стеклообразном состоянии (Т<Тст), свободный объем у7не

должен зависеть от температуры. Однако выше температуры стеклования свободный объем возрастает линейно с температурой в соответствии с уравнением:

ал)

где Аа - разность коэффициентов теплового расширения выше и ниже Тст [29].

Симха и Бойер, используя представления о свободном объеме для описания температур стеклования, получили соотношение, которое выражает то, что произведение коэффициента расширения на температуру является константой и равно:

ахТст= 0,164, (1.2)

где а, - коэффициент теплового расширения при Тст [32].

Противоречия между этими сильно различающимися зависимостями может и не быть, поскольку в процессе диффузии не весь свободный объем доступен для транспорта газа.

Основной постулат концепции свободного объема заключается в том, что молекула может диффундировать от одного места к другому, только если имеется пустое пространство или свободный объем. При увеличении размера молекул транспортируемого вещества (пенетранта), необходимый для той же величины скорости диффузии, свободный объем также должен быть больше. Подвижность конкретного пенетранта зависит от вероятности попадания

молекулы в «дырку» достаточного размера, допускающую ее перемещение. Подвижность связана с термодинамическим коэффициентом диффузии, который описывается экспоненциальной зависимостью [33]:

Д. = Я Т ■ А{ • ехр

V vfJ

(1.3)

где В - локальный свободный объем, необходимый для данного пенетранта;

А/- параметр, зависящий от размера и формы молекулы-пенетранта;

Я - универсальная газовая постоянная;

Т - температура;

Vдоля свободного объема.

Из уравнения (1.3) вытекает, что коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с увеличением размера молекулы-пенетранта вследствие увеличения В.

Уравнение (1.3) справедливо для случая отсутствия химического взаимодействия пенетранта с веществом мембраны [34-36]. Однако, есть и отклонения от данного уравнения. Например, полиимидные мембраны не подчиняются представленной выше зависимости [37, 38]. Поэтому для каждого вида полимера, включая различия, вызванные способом обработки материала, соответствующие зависимости целесообразно подтверждать экспериментально, поскольку скорость диффузии зависит от размера молекулы газового пенетранта и от природы полимера, включая его структуру [39].

Математическое описание диффузионных процессов может быть построено с использованием трех различных подходов: статистического, термодинамического и феноменологического [29].

Статистический подход основывается на вероятностных представлениях, из которых следует, что вероятность осуществления диффундирующей частицей элементарного акта перемещения на определенное расстояние определяется подвижностью этой частицы и временем прохождения этой частицы от одной потенциальной «дырки» до

другой. Средний квадрат смещения <х > определяется по уравнению Эйнштейна:

<х2> = 2-к-Т-В1 (1.4)

Подвижность В характеризует как свойства перемещающейся частицы, так и свойства среды. Для теоретического случая движения строго шарообразной молекулы подвижность вычисляется по уравнению Стокса:

В = -, (1.5)

6 • 7Г -7] - Г

где ;/ - коэффициент внутреннего трения; г - радиус молекулы.

По определению: £> = кТВ, тогда имеем соотношение, часто встречающееся в практике оценок порядка величин:

<х2>=2И(1.6) Согласно термодинамике неравновесных процессов [40] общей характеристикой протекания необратимого процесса в непрерывной системе является локальное производство энтропии, описываемое с помощью диссипативной функции. При малом отклонении от равновесия обобщенные потоки (тепловой поток, диффузионный поток, скорость реакции и т. п.), которые входят в диссипативную функцию, представляются в виде линейных соотношений между потоками J^ и движущими силами Хк:

(1-7)

ы\

где Ь^ - обобщенные коэффициенты переноса.

Движущей силой молекулярного переноса вещества в изотермических условиях является градиент химического потенциала //„ т. е.

Уг= (1-8)

По определению

д =/л0 + Я-Т-1па„ (1.9)

где а, - коэффициент активности. Тогда

1

./, = Ьи-Я-Т— • grada

1

(1.10)

и

а

Откуда вводится понятие коэффициента диффузии:

£> = -Ь ■ Я ■ Т • —

I п

(1.11)

Однако, определение величин истинной активности часто практически неосуществимо. Поэтому данные представления более полезны при качественном описании явлений переноса, чем при построении алгоритмов расчета реальных технологических процессов. И потому более предпочтителен феноменологический подход. При этом описание процесса диффузии основывается на гипотезе, утверждающей, что скорость массопереноса через мембрану пропорциональна движущей силе, а связь потоков и сил может быть описана линейным уравнением. Феноменологические уравнения являются уравнениями модели черного ящика, которая ничего не говорит о химической или физической природе мембраны или о связи транспорта со структурой мембраны. Коэффициент пропорциональности показывает, как быстро компонент переносится через мембрану, или, другими словами, он есть мера сопротивления, оказываемая мембраной как средой. В роли феноменологического коэффициента, связывающего потоки (масса или объем, протекающий через единицу площади мембраны в единицу времени) и силы, могут выступать коэффициент диффузии (закон Фика), коэффициент проницаемости (закон Дарси) и др. На этой основе Томас Грэм, исследуя процессы переноса газов через каучуковые мембраны, еще в 1861 г. сформулировал модель, известную сегодня как механизм растворения-диффузии (сорбции-диффузии). Это рассматриваемый на молекулярном уровне процесс, в котором пенетрант из исходного потока сорбируется на входной поверхности мембраны, переносится путем молекулярной диффузии через мембрану к ее выходной поверхности и десорбируется из мембраны в газовую, паровую или жидкую фазу, контактирующую с мембраной. Таким образом, массоперенос

газа через непористую мембрану может быть описан как процесс растворения и диффузии [12]:

Р =£>•£, (1.12)

где Р - проницаемость мембраны; Б - растворимость пенетранта; В - коэффициент диффузии.

Растворимость - термодинамический параметр и является мерой количества пенетранта, сорбированного мембраной в равновесных условиях. Растворимость газа в мембране может быть описана законом Генри, т.е. линейным соотношением между приложенным давлением и концентрацией пенетранта С внутри мембраны:

С = 8-р (1.13)

Растворимость газов в полимерах обычно очень низка (<0,2 об. %). Для этих условий принимают, что коэффициенты диффузии газов постоянны. В таких идеальных системах диффузия подчиняется закону Фика:

Л, = -И-аШх, (1.14)

где Л, - массовый поток;

£> - коэффициент диффузии;

с1с/сЫ - движущая сила процесса массопереноса в направлении оси л:. Давление, равное р1, поддерживается на входе мембраны (х = 0), где концентрация пенетранта в полимере равна с1, тогда как на выходе (х = /) давление равно р2 и концентрация пенетранта - соответственно с2. Из уравнений (1.13) и (1.14) путем интегрирования по толщине мембраны, получаем:

СП

J = —(pl-p2) (1.15)

С учетом уравнения (1-12) поток пенетранта описывается зависимостью:

J = J<J>l-p2) (1.16)

Это уравнение показывает, что поток компонента через мембрану пропорционален перепаду давлений на входе и выходе мембраны и обратно пропорционален ее толщине. Такое уравнение удобно использовать при обработке экспериментальных данных и в инженерных расчетах. При этом в биотехнологии наибольшее применение находят данные о массопереносе кислорода и азота (при использовании воздуха или обогащении его кислородом) в аэробных процессах биосинтеза.

В таблице 1.2 представлены размеры молекул, критические температуры кислорода и азота и их коэффициенты растворимости, диффузии и проницаемости в натуральном каучуке и силиконовом каучуке.

Таблица 1.2 - Кинетические диаметры молекул с! (в А), критические температуры Тс (в К)

2 2 и коэффициенты проницаемости Р (в (моль-м)/(м -с-Па)), диффузии Б (в м /с) и

л

растворимости Б (в моль/(м -Па) кислорода и азота при 293,2 К [41, 42]

Полимер Кислород (1 = 3,46; Тс= 154,4 Азот ё = 3,64; Тс = 126,1

Р-1015 ЭТО10 Б-Ю6 Р-1015 Б-Ю10 8-106

Полидиметил-силоксан 164 30 55,6 83 23,3 36

Натуральный каучук 6,2 1,4 45,4 2,21 0,9 24

Зависимость коэффициента диффузии от давления при постоянном составе и температуре определяется долей свободного объема и коэффициентом сжимаемости полимерной матрицы вещества мембраны. В каучуках, как показывают экспериментальные данные [43], коэффициент изотермической сжимаемости полимера составляет 6-10"4 МПа"1, а доля свободного объема с ростом давления от 8 до 40 МПа уменьшается с 0,07 до 0,045. Этим, собственно, и объясняется резкое снижение коэффициентов диффузии, растворимости и проницаемости при увеличении давления газа. При небольших отклонениях состояния газовой фазы от идеального коэффициент растворимости убывает с ростом давления [44]:

= (1.17)

где р и рст - текущее и стандартное значения давления газа соответственно.

Этот эффект обычно незначителен, если не происходит деформации структуры матрицы мембраны.

В реальных условиях мембрана всегда находится в среде сжатого газа, но при давлениях ниже 5-6 МПа для газов с малой молекулярной массой в области состояний, значительно удаленных от линии равновесия жидкость-пар (Т»ТС), например, для кислорода, азота, зависимостью коэффициентов растворимости и диффузии от давления можно пренебречь, что подтверждается экспериментально [45].

Однако позднейшие исследования показали, что коэффициент массопередачи в реальных условиях применения упругих мембран может описываться существенно нелинейными зависимостями. В выражении:

= (1.18)

F

где R'0 - скорость транспорта кислорода через мембрану;

F- величина рабочей поверхности мембраны;

Заключение диссертации по теме «Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)», Шавалиев, Марат Фаридович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны и на базе процесса выращивания чистой культуры спиртовых дрожжей Басскаготусез сегеУ1Я1ае У717 исследованы конструкции биореакторов колонного типа без систем механического перемешивания, оснащенные мембранными устройствами беспузырькового ввода газового питания, отвечающие более высоким требованиям асептики по сравнению с аппаратами, оснащенными устройствами аэрации. В качестве мембран использованы испытанные рядом авторов

полидиметилсилоксановые трубки. Важной технологической особенностью таких аппаратом является строго ламинарный режим потока с возможным разделением на отдельные струи, что требует многоточечного ввода питания и рециркуляции культуральной жидкости с целью обеспечения однородности параметров потока в каждом сечении аппарата. Для такого режима построена адекватная математическая модель течения жидкой фазы. Модель представляет собой двухпоточную схему из цепочек ячеек перемешивания, связанных в поперечном направлении диффузионными потоками. Модель использовалась при решении задачи выбора интенсивности рециркуляции культуральной жидкости. Определен интервал соотношения скоростей подпитки субстратом и рециркуляции культуральной жидкости (1:10 - 1:25) для непрерывного выращивания инокулята спиртовых дрожжей (на примере Sacch.arom.yces сегеу1з1ае У717).

Экспериментально установлено, что массообменные характеристики аппарата с мембранным устройством газового питания нелинейно зависят от перепада давления на мембране. Причем скорость массопереноса кислорода возрастает быстрее по сравнению с ростом давления в трубчатой мембране. Поэтому целесообразно применять трубчатые мембраны как можно меньшего диаметра (например, 2-3 мм).

Предельная скорость массопереноса кислорода на сульфитной модели составила 1,5 г/л-час, что достаточно для выращивания инокулята

факультативно анаэробных микроорганизмов. В экспериментальных процессах непрерывного культивирования дрожжей показано, что при

2 3

удельной поверхности трубчатых мембран 130 - 155 м /м возможно получение активного инокулята с титром клеток дрожжей до 350 - 500 млн.кл/мл при доле почкующихся клеток 45-55 %. Таким образом, в непрерывном режиме, реализуемом в аппаратах разработанных конструкций, титр культуры спиртовых дрожжей в три раза превышает титр анаэробно выращиваемых культур на отечественных предприятиях спиртовой промышленности.

Управление газовым питанием биореактора по своему алгоритму близко к процессу оксистата, но реализуется по данным о падении давления кислорода в питающей емкости известного объема.

На основе концепции парциальных обменов предложен алгоритм расчета стехиометрии микробного роста, позволяющий анализировать процесс в переходных условиях от аэробного роста к брожению. Предложены альтернативные формулы расчета обеспеченности клеток кислородом и удельных энергозатрат в процессе роста дрожжей. В непрерывном режиме культивирования обеспеченность популяции дрожжей кислородом составила 20-27%.

Полученные результаты исследования роста дрожжей в переходных режимах использованы при разработке опытно-промышленного технологического регламента процесса выращивания чистой культуры спиртовых дрожжей (ОПР-СД-БТК-2011/1, срок действия до 30 июня 2014 г., ООО «Биотехконсалтинг»), включающего стадию выращивания дрожжей в биореакторе колонного типа с мембранным устройством подвода и стерилизации кислорода.

Обоснованы исходные данные на проектирование биореактора промышленного масштаба с учетом закономерностей движения потоков в колонном аппарате с мембранным устройством газового питания. Показано,

что основным параметром, определяющим возможность масштабирования биореактора, является величина удельной поверхности мембраны.

Для лабораторных образцов аппаратов разработана конструкторская документация, технические решения защищены патентами РФ [20, 21]. Патент РФ [21], Федеральной службой по интеллектуальной собственности награжден дипломом в номинации «100 лучших изобретений России-2012» (Приложение А). Документация может использоваться для выпуска малых партий лабораторных биореакторов (Приложение Б). Создан биотехнологический комплекс (технологическая линия), используемый в образовательном процессе и научных исследованиях, включающий разработанные лабораторные биореакторы.

Разработано техническое задание на конструирование промышленного образца инокулятора с мембранным устройством газового питания. Аппарат, отвечающий сформулированным техническим требованиям, может применяться в производствах как крупнотоннажной продукции микробиологического синтеза на основе применения штаммов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, так и малотоннажной наукоемкой продукции, например, медицинских и ветеринарных пробиотиков, аминокислот, ферментов и др. При этом требуется оптимизация режимных параметров под соответствующую технологическую задачу.

Предложенная конструкция биореактора-инокулятора с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания отличается простотой масштабирования и отсутствием подвижных элементов, требующих расхода энергии. Предложенные конструкции биореактора практически исключают затраты энергии на перемешивание культуральной жидкости. А предложенная схема компоновки секций аппарата обеспечивает снижение более, чем в 2 раза, затрат энергии на стерилизацию технологического оборудования и вспомогательные операции за счет реализации непрерывного процесса выращивания чистой культуры дрожжей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шавалиев, Марат Фаридович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2006 году» / Минэкологии РТ. - Казань:, 2007. - 491 с.

2. Щуцкий, И. В. Этанол - новое направление компании. Свежий взгляд на старые проблемы [Текст] / И. В. Щуцкий, О. Г. Галузинский // Сахар.-2008.-№5.-С. 81-90.

3. Мировой рынок биоэтанола в 2007 году [Электронный ресурс]. -Режим доступа: .http://cbio.ru/page/43/id/3817/, свободный. - Проверено 25.08.2013.

4. Спирос, К. Новые более экологичные и продуктивные источники сырья для удовлетворения быстрорастущих потребностей транспорта в биоэтаноле [Текст] / К. Спирос // Энергетический вестник. - 2011. - №1(10). -С. 9.

5. Мухачев, С. Г. Организация производства топливного спирта в Республике Татарстан [Текст] / С. Г. Мухачев, И. С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2006. -№5.-С. 21-26.

6. Сырьевая база для производства биоэтанола в Республике Татарстан. X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 12-15 мая 2009 г.) Сборник тезисов докладов. -Казань, Изд-во «Отечество», 2009, с. 321. Нурутдинов P.M., Мухачев С.Г., Емельянов В.М., Гаделынина Г.А., Валеева Р.Т.

7. Пат. 2136746 Российская Федерация, МПК С 12 N 1/16, С 12 Р 7/06. Способ культивирования дрожжей для спиртового производства [Текст] / Емельянов В. М., Шайхутдинов Р. Р., Владимирова И. С., Филлипова Н. К., Валеева Р. Т.; заявитель и патентообладатель Емельянов В. М. - № 98115662/13 ; заявл. 17.08.98 ; опубл. 10.09.99.-3 с. : ил.

8. Емельянов В. М., Александровская Ю. П., Еналеев Р. Ш., Владимирова И. С., Филлипова Н. К., Валеева Р. Т. Аппаратурно-технологическое оформление участка аэробной генерации спиртовых дрожжей.// Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли: Тезисы докл. III Междунар. Науч.-практич. Конф., посвящ. 70-летию ВНИИ пищевой биотехнологии. - М.: Пищепромиздат, 2001. - С.72-76.

9. Емельянов, В. М. Биотехнологический комплекс участка чистой культуры спиртовых дрожжей / В. М. Емельянов, И. С. Владимирова, Ю. П. Александровская, Н. К. Филлипова, Р. Ш Еналеев., Р. Т Валеева // Биотехнология - состояние и перспективы развития: Матер. Междунар. Конгресса. - Москва, - 2002.

10. Филлипова Н. К. Аэробная технология генерации спиртовых дрожжей / Н. К. Филлипова, В. М. Емельянов, Ю. П. Александровская, И. С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Биомолекулярная химия и биотехнология : Матер. XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. -Казань,-2003.-С. 310-312.

11. Майоров, А. Ю. Сухие активные дрожжи в производстве спирта / А. Ю. Майоров, Р. А. Курамшин, Ш. Г. Еникеев // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2002. - № 2. - С. 22.

12. Александровская, Ю. П. Аэробное культивирование спиртовых дрожжей в биореакторе с мембранным аэрирующим устройством [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 03.00.23 / Александровская Юлия Павловна. -Казань, 2004.- 173 с.

13. Бекман И. Н. Мембраны в медицине [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://profbeckman.narod.rU/MedMemb.htm#OT АВТОРА , свободный. - Проверено 15.08.2013.

14. Минкевич, И. Г. Физико-химические основы материально-энергетического баланса клеточного метаболизма [Текст] / И. Г. Минкевич //

Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов: сб.науч.тр. /НЦБИ АН СССР. -Пущино. 1980.-С. 55-91.

15. Минкевич, И. Г. Материально- энергетический баланс живой клетки / И. Г. Минкевич // Прикладная биохимия и микробиология. - 1996. -№32(1),-С. 100-109.

16. Минкевич, И. Г. Закономерности внутриклеточного материально-энергетического баланса роста микроорганизмов / И. Г. Минкевич, В. К. Ерошин // Успехи современной биологии. - 1976. - № 1(82). - С. 103-116.

17. Minkevich I. G. Mass- Energy Balance of Microbial Product Synthesis-Biochemical and Cultural Aspects. Biotechnology and Bioengineering 25(5) (1983)1267-1293.

18. Minkevich I. G., Eroshin V. K. Intracellular Growth Balance and Its Influence on Growth Characteristics of Microbial Cultures Studia Biophysica 59(1) (1976) 67-75.

19. Мухачев, С. Г. Использование метода стехиометрических инвариантов при оценке характеристик процесса роста аэробных микроорганизмов [Текст] / С. Г. Мухачев // Вестник Казанского технологического университета. - 2006. - № 5. - С. 96-110.

20. Пат. 2415913 Российская Федерация, МПК С 12 М 1/04. Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания [Текст] / Емельянов В.М., Мухачев С.Г., Шавалиев М.Ф., Яруллин Р.С., Якушев И.А., Аблаев А.Р., Владимирова И.С. ; заявитель и патентообладатель ООО «Биотехконсалтинг». - № 2009139720/13 ; заявл. 27.10.09; опубл. 10.04.2011, Бюл. № 10.-7 с. : ил.

21. Пат. 2446205 Российская Федерация, МПК С 12 М 1/04. Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания [Текст] / Мухачев С.Г., Емельянов В.М., Шавалиев М.Ф., Владимирова И.С., Аблаев А.Р., Нуруллина Е.Н. ; заявитель и патентообладатель ООО «Биотехконсалтинг». - 2010144464/10, заявл. 29.10.10 ; опубл. 27.03.12, Бюл. № 9. - 8 с. : ил.

22. Разработка инокулятора вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : гос. контракт № 4236р/6589 от 26.06.2006 / ООО «Биотехпродукция» ; рук: В. М. Емельянов; исполн.: С. Г. Мухачев, В. В. Ситнов, Б. В. Кузнецов, М. Ф. Шавалиев, -Казань, 2007. - 50 с. - № ГР 01200610996.

23. Разработка технологического регламента на выращивание чистой культуры дрожжей [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : гос. контракт №8187р/7406 от 01.08.2010 / ООО «Биотехконсалтинг» ; рук: Е. Н. Нуруллина; исполн.: С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, М. Ф. Шавалиев, С. А. Понкратова, А. С. Понкратов, - Казань, 2011, - 73 с. - № ГР 01201061195.

24. Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В. В. Бирюков. - М.: КолосС, 2004. - 296 с.

25. Biostat® В - компактный настольный ферментер [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fermenter.ru/content/page_48_0.html, свободный. - Проверено 12.08.2013.

26. Meares P., in: Encyclopedic Dictionary of Physics, vol. 4, Pergamon Press, Oxford, 1961, 561

27. Lonsdale H. K., J. Membr. Sei., 43, 1, 1989.

28. Николаев, H. И. Диффузия в мембранах / Н. И. Николаев. - М.: «Химия», 1980.-232 с.

29. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. / М. Мулдер. - М. : Мир, 1999. - 513 с.

30. Современные технологические концепции аэробной очистки сточных вод / А. С. Сироткин, С. А. Понкратова, М. В. Шулаев. - М.: Казан, гос. технол. ун-т. Казань, 2002. - 164 с.

31. Александровская, Ю. П. Аэробное культивирование спиртовых дрожжей в биореакторе с мембранным аэрирующим устройством : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 03.00.23 / Александровская Юлия Павловна. Казань, 2004. - 19 с.

32. Chen-Yang Liu, Jiasong He, Roland Keunings, and Christian Bailly New Linearized Relation for the Universal Viscosity-Temperature Behavior of Polymer Melts Macromolecules, Vol. 39, No. 25 (2006) P.8867-8869

33. FujitaH., Fortschr. Hochpolym. Forsch, 3 (1961) 1.

34. Muruganandam N., Koros W. J., Paul D. R., J. Polum. Sci. Polum. Phis., 25 (1987) 1999.

35. Barbari Т., Koros W. J., Paul D. R., J. Polum. Sci. Polum. Phis., 26 (1988) 709.

36. Min К. E., Paul D. R., J. Polum. Sci. Polum. Phis., 26 (1988) 1021.

37. Tanaka K., Kita H., Okamoto K., Nakamura A., Kusuki Y., J. Membr. Sci., 47 (1989) 203

38. Hensema E., Mulder M. H. V., Smolders C. A., J. Appl. Polym. Sci., 49 (1993)203.

39. Vrentas J. S., Duda J. L., J. Polum. Sci. Polum. Phis., 15 (1977) 403.

40. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. Пер. с англ. М.: Мир, 1974, - 456 с.

41. Brown W. R., Park G. S., J. Paint. Technol., 42 (1970) 16.

42. Райгородский, И. M. Применение газопроницаемых полимерных мембран в медицине / И. М. Райгородский, В. А. Савин // Пластмассы. -1976.-№ 1,-С. 61-65.

43. Чалых, А. Е. Диффузия в полимерных системах / А. Е. Чалых. - М. : Химия, 1987.-312 с.

44. Рид, Т. Свойства газов и жидкостей / Т. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.

45. Хванг, С. Т. Мембранные процессы разделения / С.-Т. Хванг, К. Каммермейер. - Пер. с англ. - М. : Химия, 1981. - 464 с.

46. Александровская, Ю. П. Изучение массообмена кислорода в мембранном биореакторе / Ю. П. Александровская, В. М. Емельянов // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. темат. сб. науч. тр.; Казань, 2003. - С. 98-101.

47. Дытнерский, Ю. И. Мембранное разделение газов / Ю. И. Дытнерский, В. П. Брыков, Г. Г. Каграманов. - М. : Химия, 1991. - 344 с.

48. Pirt S.J. The maintenance energy of bacteria in growing cultures.- Proc. Roy. Soc., 1965, N 163, p.224-231.

49. Фробифер, M. Основы микробиологии / M. Фробифер. - М. : Мир, 1965.-678 с.

50. Suomalainen Н., Nurminen J., Oura Е. Aspect of cytology and metabolism of yeast, Progress in Industrial Microbiology. (1973) 109-167.

51. Rose A.N. Economic microbiology. Alcoholic Beverages, Academic Press, 1977.

52. Бекер, M. E. Новые перспективы процессов брожения / М. Е. Бекер - Известия Ан. ЛатвССР. - 1979. - №11. - С. 98-107.

53. Иерусалимский, Н.Д. Основы физиологии микроорганизмов / Н. Д. Иерусалимский. -М. : Наука, 1967. - 210 с.

54. Климовский, Д. Н. Технология спирта / Д. Н. Климовский, В. А. Смирнов, В. Н. Стабников. - М. : 1967. - 452 с.

55. Швинка, Ю. Э. Альтернативные пути окисления в дыхательной цепи Brevibacterium flavum. / Ю. Э. Швинка, У. Э. Виестур. -Микробиология, 1979, т. 48. вып. 1, - С.10-16.

56. Берри, Д. Биология дрожжей/ Д. Берри. М. : Мир, 1985. - 95 с.

57. Калинина, О. А. Комплексная переработка зерна - эффективный путь повышения рентабельности спиртового производства / О. А. Калинина,

B. П. Леденев // III Межд. научно-практ. конф.: тез. докл. - М. : 2001. - С. 53-62.

58. Перт, С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток /

C. Дж. Перт. - М. : Мир, 1978. - 331 с.

59. Инге-Вечтомов С.Г. Дрожжи. // Итоги науки и техники. Серия общие проблемы биологии. ВИНИТИ. 1981. 1 С. - С. 148-192.

60. Виестур, У. Э. Влияние кислорода на рост и размножение Saccharomyces cerevisiae / У. Э. Виестур, Т. К. Аболинь // Изв. Ан Латв.ССР. - 1966.-№ 12.-С. 81-86.

61. Игнатенко, Ю. Н. Влияние температуры и аэрации на рост и спорообразование Bacillus thuringiensis / Ю. Н. Игнатенко, 3. В. Сахарова, М. П. Ховрычев, В. В. Шевцов // Микробиология. - 1983. - т.52. - Вып.5. - С. 716-718.

62. Виестур, У. Э. Культивирование микроорганизмов / У. Э.Виестур, М. Ж. Кристапсонс, Е. С. Былинкина. - М. : Пищпром, 1980. - 231 с.

63. Бекер, М. Е. Введение в биотехнологию / М. Е. Бекер. - М. : Пищевая пром-ть, 1978. - 225 с.

64. Работнова, И. Л. Роль физико-химических условий (pH, Н2) в жизнедеятельности микроорганизмов / И. Л. Работнова. - М. : Наука, 1979. -207 с.

65. Мишустин, Е. Н. Микробиология / Е. Н. Мишустин, В. Т. Емцев. -М. : Наука, 1987.-367 с.

66. Селга, С. Э. Роль кислорода, аэрации и перемешивания в ферментационных процессах. Биотехнология микробного синтеза. / С. Э. Селга. - Рига : Зинатне, 1980. - С. 138-166.

67. Коновалов, С. Ф. Биохимия дрожжей / С. Ф. Коновалов. - 2 изд.. -М. : Пищевая промышленность, 1980. - 284 с.

68. Hartwell L.H. Saccharomyces cerevisiae: cell cycle, Bacteriological Reviews, (1974)164-198.

69. Гуревич, Ю. Л. О зависимости кинетики роста микроорганизмов от условий внешней среды. Лимитирование и ингибирование процессов роста и микробиологического синтеза. / Ю. Л. Гуревич. - Пущино, 1976. - 81 с.

70. Бабурин, Л. А. Растворимость кислорода в жидких ферментационных средах. Ферментационная аппаратура. / Л. А. Бабурин, Ю. Э. Швинка. - Рига : Зинатне, 1980. - С. 89-93.

71. Мосичев, М. С. Общая технология микробиологических производств / М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. - М. : 1982. - 263 с.

72. Friedlander S.K. Aerosol Filtration by Fibrous Filters, in Biochemical and Biochemical Engineering Science, Blakebrobgh N. (ed.), vol. 1, p. 49, Academic Press, New York, 1967.

73 Калунянц, К. А. Оборудование микробиологических производств / К. А. Калунянц, JI. И. Голгер, В. Е. Балашов. - М. : Агропромиздат, 1987. -280 с.

74. Штоффер, А. Д. Определение оптимальных условий аэрации и масштабирования процесса биосинтеза ферментов / А. Д. Штоффер, В. Н. Игнатов, О. Д. Юдина // Хим. фарм. Журнал. - 1975. - № 11. - С. 31- 38.

75. Шлегель, Г. Общая микробиология / Г. Шлегель. - М. : Мир, 1972. -

480 с.

76. Тамийя, X. Материальный баланс и энергетика биологических синтезов / X. Тамийя // Успехи биол. химии. - 1937. - Т. 13. - С.80-105.

77. Минкевич, И. Г. Теоретическая оценка элементного баланса при росте микроорганизмов на н-алканах и соответствующих спиртах / И.Г. Минкевич, Г. П. Попков, В. К. Ерошин // Прикладная биохимия и микробиология. - 1972. - т. VIII. - №2. - С.160-166.

78. Соопеу С. L. , Wang H.Y., Wang D.I.С. Computer-aided material balancing for the prediction of fermentation parameters.- Biotechnol. andBioeng. , 1977,19, Nl,p.55-67.

79. Stouthamer A. H. Energetic aspects of the growth of microorganisms. -In: Microbial energetics: 27 th Symp. Soc. Gen. Microbiol. (London, 1977). -Cambridg, 1977, p. 285-315.

80. Peringer P., Renevey H. Some new aspects in the modeling of continuous cultivation of yeasts.- In: Continuouscultivationofmicroorganisms: 7 thlnt. Symp. : Abstr. Pap. Prague, 1978, p.72.

81. ZabriskieD.W., Humfrey A.E. Real-TimeEstimation of Aerobic Batch Fermentation Biomass Concentration by Component Balancing. - AlChE Journal, 1978, 24, N1, p.138-146.

82. Эриксон, JI. Э. Определение и использование коэффициентов выхода при производстве биомассы / Л. Э. Эриксон, В. К. Ерошин // Микробиологическая промышленность. - 1978. - Вып. 7. - С. 3-8.

83. Манаков, M. Н. Стехиометрия и энергетика биосинтеза / M. Н. Манаков // Прикладная биохимия и микробиология. - 1981. - XVII. - Вып.З. -С. 375-379.

84. Еникеев, Ш. Г., Энерго-материальный баланс и показатели роста аэробных гетеротрофов / Ш. Г. Еникеев, Р. И. Валеев, С.Г. Мухачев // В сб.: 3-ий симпозиум социалистических стран по биотехнологии. - Братислава. -1983.-С. 4-16.

85. Минкевич, И. Г. Элементный состав и энергосодержание биомассы микроорганизмов / И. Г. Минкевич, В. К. Ерошин, Т. А. Алексеева [и др.] // Микробиологическая промышленность. - 1977. - №2 (144). - С. 1-4.

86. Минкевич, И. Г. Материально-энергентический баланс и кинетика роста микроорганизмов / И. Г. Иванов. - Москва-Ижевск. : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований. - 2005. -352 с.

87. Иванов, В. Н. Стехиометрия и энергетика микробиологических процессов / В. Н. Иванов, Е. В. Стабникова. - Киев. : Наукова Думка, 1987. -152 с.

88. Еникеев, Ш. Г. Получение микробной биомассы на основе этилового спирта / Ш. Г. Еникеев, 3. М. Билялова, Ю.Л. Рындовская [и др.] Методические указания к учебно-исследовательскому лабораторному практикуму // Казань: КХТИ, 1983. - 32 с.

89. Мухачев, С. Г. Методика лабораторного культивирования аэробных микроорганизмов и определение энергетических параметров микробного

роста [Текст] : учебное пособие / С. Г. Мухачев. - Казань: КНИТУ, 2011. - 80 с.

90. Регламент по производству спирта из крахмалистого сырья. Часть 1: Утв.Упрспирт МПП СССР 1979.

91. Пат. 2151794 Российская Федерация, МПК7 С 12 N 1/16, С 12 N 1/18, С 12 N 1/16, С 12 Я 1:865. Способ активации дрожжей [Текст] / Шабурова Л.Н., Ильяшенко Н.Г., Садова А.И. ; заявительи патентообладатель Московский государственный университет пищевых производств. -№99101648/13 ; заявл. 29.01.99 ; опубл. 27.26.00.

92. А. с. 566872 СССР, МПК5 С 12 С 11/08. Способ производства дрожжей для спиртового брожения [Текст] / В. С. Яровенко, А. Н. Лазарева, В. В. Яровенко (СССР). - № 2322108/13 ; заявл. 25.03.76 ; опубл. 30.07.1977. Бюл. № 28. -2с.: ил.

93. Филиппова, Н. К. Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей : дис. ... канд. техн. наук : 03.00.23 / Филиппова Надежда Константиновна. Казань, 2004 - 114 с.

94. Попов, А. Ю. Ферментеры - анализ и управление рисками / А. Ю. Попов // «Чистые помещения и технологические среды». - 2005. - № 3.

95. Мухачев, С. Г. Аэробное выращивание посевной культуры сахаромицетов в биореакторе с мембранной стерилизацией кислорода / С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, Ю. П. Александровская // Биотехнология. - 2005. -№3. - С. 71-78.

96. Шавалиев, М. Ф. Лабораторный реактор вытеснения с мембранным устройством стерилизации кислорода / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев / Интенсификация тепло - массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: докл. II Всероссийской студенческой научно -технической конференции. - Казань: Бутлеровское наследие, 2008. - С. 4548.

97. Мухачев, С. Г. Разработка биотехнологического комплекса для научно-учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С. Г. Мухачев,

М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев [и др.] / Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч. - практ. конф. - Казань: ТГГПУ. 2009. - С. 248-253.

98. Лабораторный ферментер Value Bio Reactor [Электронный ресурс].

- Режим доступа: http://www.fermenter.ru/content/page 88 0.html, свободный.

- Проверено 25.12.2012.

99. Мухачев С.Г. Биотехнологический комплекс учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, М. Ф. Шавалиев [и др.] // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2009. - №5. - С. 21-26.

100. Шавалиев, М. Ф. Аппаратурное оснащение исследовательских работ в области совершенствования процессов комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и отходов / М. Ф. Шавалиев, Д. С. Виноградов, Р. М. Нуртдинов [и др.] / Биотехнология: экология крупных городов: материалы Московской международной научно-практической конференции (Москва, 15-17 марта 2010 г.). - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2010. - С. 252-253.

101. Латыпов, Э. Д. Гидродинамика колонного инокулятора с мембранным устройством газового питания / Э. Д. Латыпов, М. Ф. Шавалиев / Пищевые технологии и биотехнологии: сборник тезисов докл. XII Международной конференции молодых ученых. - Казань: Издательство «Отечество». 2012. - С. 174-175.

102. Шавалиев М. Ф. Гидродинамика инокулятора со спиральным движением потока [Текст] / М. Ф. Шавалиев, Э. Д. Латыпов // Вестник Казанского технологического университета. -2012. — №18. - С. 64-65.

103. Исследование непрерывного процесса получения биоэтанола 1-го и 2-го поколения в биореакторе вытеснения. Этап 1. Исследование гидродинамики потоков в аппаратах колонного типа с осевым и винтовым направлениями движения жидкости [Текст] : отчет о НИР (промежуточ.) : №35.12 / ФГБОУ ВПО «КНИТУ» ; рук: Емельянов В. М. ; исполн.: Мухачев

С.Г., Шавалиев М.Ф., Латыпов Э.Д. - Казань, 2013. - 27 с. - № ГР 01201252916.

104. Лихтенберг Л. А. Атлас производственных дрожжей Saccharomyces cerevisiae расы XII (для работников спиртовых заводов перерабатывающих зерно) / Л. А. Лихтенберг, Е. А. Двадцатова, В. С. Чнередниченко. - М.: Пищепромиздат, 1999. - 24 с.

105. Фараджев, Е. Д. Общая технология бродильных производств / Е. Д. Фараджев, В. А Федоров. - М.: Колос, 2002. - 408 с.

106. Мальцев, П. М. Технология бродильных производств / П. М. Мальцев. - М.: Пищепромиздат, 1960. - 284 с.

107. Малченко, А. Л. Технохимический контроль и учет спиртового произодства. / А. Л. Малченко, А. Г. Забродский, 3. К. Ашкинузи, А. В. Пелихова // М.: Пищепромиздат. - 1946. - 325 с.

108. Афанасьева, О. В. Микробиологический контроль хлебопекарного производства / О. В. Афанасьева. - М.: Пищевая промышленность. - 1976. -131 с.

109. Градова, Н. Б. Лабораторный практикум по общей микробиологии / Н. Б. Градова, Е. С. Бабусенко, И. Б. Горюнова, Н. А. Гусарова. - М. : ДеЛи принт, 2001.- 132 с.

110. Нетрусов, А. И. Практикум по микробиологии / А. И. Нетрусов [и др.] - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 608 с.

111. Шавалиев М. Ф. Применение инокулятора с мембранным устройством подвода газового питания для повышения асептики спиртовых производств [Текст] / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№5.-С. 147-149.

112. Швинка, Ю. Э. Применение спектрофотометрических меодов определения биомассы в процессах культивирования микроорганизмов / Ю. Э. Швинка, М. Ж. Кристапсон // Изв. Ан Латв.ССР. - 1970. - № 8. - С. 1722.

113. Емельянова, И. 3. Химико-технологический контроль гидролизных производств / И. 3. Емельянова - М.: Лесная промышленность, 1976. - 405 с.

114. Жданов, Ю. А. Практикум по химии углеводов / Ю. А. Жданов, Г. Н. Дорофеенко, Г. А. Корольченко, Г. В. Богданова. - М. : Высшая школа, 1973.-204 с.

115. Курбангалиев, Р. И. Варианты организации потоков в колонном биореакторе с устройством подвода газового питания на основе непористых полимерных мембран [Текст] / Р. И. Курбангалиев, М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев, Д. С. Виноградов / Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения: тезисы докладов XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов. - Казань. 2009. - С. 346.

116. Шавалиев, М. Ф. Автоматизация инокулятора с мембранным устройством подвода кислорода [Текст] / М. Ф. Шавалиев, Д. С. Виноградов, С. Г. Мухачев / Республиканская школа студентов и аспирантов "Жить в XXI веке": сб. материалов научно-исследовательских работ студентов и аспирантов. - Казань: Изд-во Казан, гос. технол. ун-та, 2009. - С. 276-277.

117. MasterSCADA - шаг за шагом. Универсальная архивная система" [Электронный ресурс]. - Режим доступа:. http://teplo.moy.su/Arc MasterSCADA.pdf, свободный. - Проверено 14.09.2013.

118. Шавалиев М. Ф. Оценка параметров процесса культивирования дрожжей в инокуляторе с мембранным устройством подвода газового питания [Текст] / М. Ф. Шавалиев, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, Д. С. Виноградов, В.М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №5. - С. 150-153.

119. Нуртдинов, Р. М. Эффективность процессов осахаривания соломы и оценка качества гидролизатов для культивирования сахаромицетов [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 03.01.06 / Нуртдинов Руслан Минсагирович. -Казань, 2012.- 129 с.

120. Мухачев, С. Г. Расчет процесса аэробной дрожжегенерации в биореакторе идеального вытеснения с мембранным аэратором [Текст] / С. Г. Мухачев, Ю. П. Александровская, В. М. Емельянов // О состоянии и направлениях развития производства спирта этилового из пищевого сырья и ликероводочной продукции. - М. : Пищевая промышленность, 2005. - С. 3844.

121. Разработка компоновки и изготовление макетного образца биореактора участка чистой культуры [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : гос. контракт №4993р/7406 от 30.03.2007 / ООО «Биотехконсалтинг» ; рук: Е. Н. Нуруллина; исполн.: В. М. Емельянов, С. Г. Мухачев, Б. В. Кузнецов М. Ф. Шавалиев, - Казань, 2008. - 51 с. - № ГР 01200708840.

122. Филиппова, Н. К. Разработка интенсивной технологии аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae [Текст] / Н. К. Филиппова, В. М. Емельянов, И. С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Биотехнология. - 2002. - № 1. - С. 49-53.

123. ОАО "Уральский электрохимический комбинат" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ueip.ru/Pages/default.aspx, свободный. -Проверено 12.08.2013.