автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование процессов ферментации в мембранных биореакторах

На правд* щ^п^Д

2 з т т

Скороходов Андрей Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ В МЕМБРАННЫХ БИОРЕАКТОРАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева.

Научный руководитель - профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов Меньшутина Н.В.

Научный консультант - профессор Национального политехнического института Лорена (МРЬ) М. Фик (Франция).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ивашкин Ю.А.; кандидат технических наук, доцент Моргунова Е.П.

Ведущая организация: ГОСНИИСинтезбелок (г. Москва).

Защита состоится " ¿Г " И- <Л 2000г. в часов в

ауд. КЗ на заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047, г. Москва, А - 047, Миусская пл., д.9). |

С диссертацией можно ознакомится в научно-информационном центре РХТУ им Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан " " 2000г.

Ученый секретарь

специализированного

совета

Д.А.БОБРОВ

А о<у О ю

— Л „ А А С Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из направлений развития научно-технического прогресса является переход от химической технологии к биотехнологии, позволяющей синтезировать новые, а также получать известные вещества и материалы, отличающиеся высоким качеством и низкой себестоимостью. В данном аспекте использование мембранных биореакторов является весьма перспективным направлением, так как открывает широкие возможности повышения эффективности производства, уменьшения энергопотребления и потребление площадей.

Однако, мембранные биореактора, активно развивающиеся в последние 10 лет, недостаточно изучены. Вследствие этого особое значение приобретают вопросы выявления закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработки подходов к моделированию процессов ферментации в них. Поэтому целью данной работы являлось выявление закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработка подходов к моделированию процесса ферментации в них. В качестве экспериментальных объектов были выбраны процессы производства лимонной кислоты и а-молочной кислоты.

Лимонная кислота является одной из важных органических кислот. Она используется в пищевой промышленности, в фармацевтической промышленности и для технических целей: как антивспениватель, при обработке текстиля, в производстве чистых металлов, как заменитель полифосфатов в детергентах, для поглощения БОг. и т.д. Увеличение производства молочной кислоты является важной проблемой, так как именно эта кислота представляет собой основу для производства биодеградируемых полимеров, т.е. полимеров, способных разлагаться со временем. Создание таких полимеров поможет решить различные экологические, технические и медицинские задачи.

Растущая потребность в лимонной и молочной кислоте требует значительного увеличения их производства, поиска активных штаммов и разработки новых более эффективных способов. Одним из способов повышения эффективности производства данных кислот является переход от периодического способа к непрерывному и использование для этой цели мембранных биореакторов. Исследование вопросов стабильности мембранных биореакторов и воздействия стрессовых условий на микроорганизмы позволят качественным образом повысить выход продукта (лимонной и молочной кислот) в процессе культивирования.

Основанием для выполнения работы является Программа Госкомвуза России «Биохимическая технология» (с 1994 года по наст, время), код 12.4. Часть «Разработка программно-математического обеспечения, автоматизация моделирования, оптимизация и управление процессами биофильтрации, мембранного разделения биосуспензий биологической очистки сточных вод», а также международный Российско-Французский проект «Изучение стресса

микроорганизмов в мембранном биореакторе на примере производства молочной кислоты» (1998-2000гг).

Цель работы заключалась в выявлении закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработки подходов к моделированию процесса ферментации в них. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• анализ различных видов мембранных биореакторов, систематизация и классификация явлений в них, выявление наиболее значимых явлений;

• разработка стратегии моделирования процесса ферментации в мембранных биореакторах;

• разработка моделей, алгоритмов решения и программы, описывающих кинетику, гидродинамику в реакторе, процесс фильтрации на мембране;

• вывод зависимости для определения устойчивой работы мембранного биореактора на основе теории устойчивости, используя метод Ляпунова;

• выявление основных параметров, влияющих на стресс микроорганизмов, разработка математического описания этого влияния.

Научная новизна. Впервые разработана стратегия моделирования и проектирования мембранных биореакторов. Проведен анализ функционирования различных типов мембранных биореакторов, выявлены наиболее значимые явления и процессы, которые необходимо учитывать при моделировании. Установлено, что в процессе проектирования и оптимизации мембранных биореакторов необходимо определять условия стабильной работы и учитывать стресс микроорганизмов. Разработана стратегия моделирования и на основе ее программное обеспечение, объединяющие модели кинетики и гидродинамики в реакторе, модель микрофильтрации на мембранном элементе, модель стресса микроорганизмов и расчет устойчивой работы мембранных биореакторов. Выявлено влияние стресса микроорганизмов на устойчивость работы мембранных биореакторов. Экспериментально определено и математически описано явление стресса микроорганизмов в мембранном биореакторе, вызванное повышенной концентрацией бактерий в зоне ферментации. Теоретически обоснованы сделанные в работе рекомендации по ведению процессов ферментации в мембранных биореакторах.

Практическая ценность. Разработано программное обеспечение для проектирования новых и оптимизации действующих мембранных биореакторов для ведения процессов ферментации. Программное обеспечение позволяет на основе известной кинетики определять основные параметры процесса и условия непрерывной устойчивой работы мембранных биореакторов.

Установлена возможность производства лимонной и а-молочной кислот непрерывным способом в мембранной биореакторе с вынесенными мембранами. Такой способ является более выгодным по сравнению с существующим периодическим более чем в 2 раза, что подтверждено расчетами.

Сделаны рекомендации по конструкции реактора, оптимальной организации процесса отвода биомассы из реактора и фильтрации на мембране. Определено время оптимальной работы мембраны и ее промывки.

Рассчитаны параметры проведения непрерывного способа получения лимонной кислоты в мембранном биореакторе и выданы рекомендации по организации технология получения лимонной кислоты непрерывным способом в ГОСНИИСинтезбелок.

Программа по моделированию стресса микроорганизмов в мембранном биореакторе в зависимости от конструктивных и рабочих параметров реактора передана в Национальный политехнический институт Лорена, г. Нанси (Франция).

Внедрен комплекс программ по расчету мембранного биореактора и приняты рекомендации по его использованию в ОАО НПФ «Пигмент», Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии <МКХТ-95> 1995; Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (ММХ-10), Тула, 1996; 3-ем Минском Международном форуме по тепломассообмену («Heat/mass Transfer MIF-96»), (20-24 мая), 1996, Минск; X Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии <МКХТ-96> 1996; Международной Конференции «Математические методы в химии и химической технологии», Школа по моделированию автоматизированных технол. процессов, Новомосковск, 1997; International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology ACHEMA'97, Germany, Frankfurt-on Main, June 9-14, 1997; ECCE - 1, Florence, Italy; I3!h International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'98, 23-28 August 1998, Prague, Czech Republic; International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology ACHEMA'2000, Germany, Frankfurt-on Main, May 22-27,2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Orpyicrypa н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 150 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, поставлена цель работы, обоснован применяемый подход к решению задачи.

В первой главе - литературном обзоре - рассмотрены особенности применения и моделирования мембранных биореакторов для процессов ферментации.

Мембранные биореакторы активно развиваются только в течение последних 10 лет. На основе проведенного анализа показано, что вопросы моделирования мембранных биореакторов практически не изучены. Вследствие этого особое значение приобретают вопросы выявления закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработки подходов к моделированию процессов ферментации в них.

В соответствие с целью работы и на основании выводов, сделанных в результате анализа литературы, была сформулирована постановка задачи и намечены этапы ее решения. На основании анализа существующих проблем предложена общая стратегия разработки математического описания процесса ферментации в мембранных биореакторах.

Втопая глава посвящена разработке стратегии моделирования мембранных биореакторов.

Проведен анализ работы различных типов мембранных биореакторов, рассмотрены возможные варианты конструктивного исполнения мембранного биореактора (встроенный мембранный модуль, вынесенный мембранный модуль, иммобилизированные ферменты). На рис.1 представлена схема мембранных биореакторов с вынесенным и встроенным мембранным модулем. Систематизированы и классифицированы явления в них, выявлены наиболее значимые.

субстрат

субстрат

вода

воздух

фильтрат

фильтрат'

Рис.1. Мембранные бпореакторы с вынесенным и встроенным мембранным модулем.

Выявлены основные задачи, которые являются составной частью разработки обобщенной модели мембранного биореактора. На рис.2 показаны блоки, входящие в состав модели мембранного биореактора.

Гидродинамика

для

неньютоновских жидкостей

для

ньютоновских жидкостей

Конструкция

аппарата, тип аэрации

• модель ид. специальные

смешения модели

• модель ид.

вытеснения

Модель биореактора

Модель стресса микроорганизмов

Модель фильтрации на мембране

» без учета накопления осадка 1 с учетом накопления осадка 1 с учетом явлений в порах

Выбор скорости протока и времени включения мембранного

Модель мембранного биореактора

Определение условий стабильной работы мембранного биореактора

Расчет мембранного биореактора

Рис.2. Стратегия построения математической модели мембранного биореактора

Основными среди них являются блоки кинетической модели, гидродинамики и микрофильтрации на мембране. Каждый из данных блоков может быть представлен математическим описанием различной сложности от эмпирических моделей до сложных моделей в частных производных, учитывающих микроявлений с заданной точностью. Выбор моделей определяется в зависимости от решаемой задачи: научные исследования, предпроектный расчет или автоматизация режимов работы мембранного биореакгора. В работе рассмотрены разные типы математических моделей и в разработанном комплексе программ реализованы различные возможности.

Основной частью математической модели мембранного биореактора является кинетическая модель. Для выбора кинетической модели проведена систематизация кинетических уравнений ферментативных процессов, включающих уравнения роста биомассы, накопления продукта и утилизации субстрата. Среди уравнений роста биомассы рассмотрены закономерности Моно, Моно-Иерусалимского и др; среди уравнений накопления продукта -уравнения простой ферментативной реакции, для схемы с конкурентным ингибированием и др; для потребления субстрата рассматривались уравнения, выраженные через расходные коэффициенты по биомассе и продукту. Показано, каким образом выбранные кинетические уравнения связаны с уравнениями гидродинамики.

Для иллюстрации вышесказанного в работе рассмотрен конкретный случай: процесс синтеза лимонной кислоты микроорганизмами Aspergillus Niger в мембранном биореакторе.

На первом этапе разработки стратегии моделирования мембранного биореактора_ определены основные проблемы и вопросы, возникающие при объединении моделей кинетики, гидродинамики и фильтрации на мембране. Для этого выбран наиболее простой случай: модель идеального смешения в реакторе, ньютоновская жидкость, отсутствие осадка на мембране.

Записана кинетическая модель ферментационного процесса получения лимонной кислоты в периодическом биореакторе (кинетическая модель была разработана проф. А.Ю. Винаровым). Приведены экспериментальные данные, доказывающие ее адекватность реальному процессу.

На основании данной кинетической модели была создана математическая модель непрерывного процесса, проходящего в мембранном биореакторе с вынесенным мембранным модулем. Модель состоит из трех уравнений, характеризующих процесс роста биомассы, расхода субстрата и накопления продукта реакции:

нх

— - //X - ЬХ2 - БХА1 А

Л

а! <Й а? Л

— = ЧХ-кР2 -ОРАз ск

где X, Б, Р - концентрации биомассы, субстрата, продукта реакции соответственно, г/л; ¡л - коэффициент скорости роста бактерий, 1/ч; Ь -коэффициент ингибирования скорости роста клеток, л/(г*ч); q - коэффициент удельной скорости образования лимонной кислоты, г ЛК/г биом. * ч; к -коэффициент ингибирования роста продукта, л/ (г*ч); ах5 и ар5 - расходные коэффициенты потребления субстрата на рост биомассы и производство продукта соответственно, г субст /г; Аь А2, А3 - коэффициенты селективности мембраны по биомассе, субстрату и продукту; О - скорость протока, 1/час, I -текущее время, ч.

Значения коэффициентов А) А2 А3 были оценены на основе экспериментальных данных.

Данная модель составлена без учета накопления осадка на поверхности мембранного модуля (идеальный случай - движущая сила фильтрации постоянна, скорость протока - постоянна). Хотя в реальном процессе данное условие не выполняется, полученная модель, тем не менее, позволяет выявить общие закономерности функционирования системы. Если рассматривать биохимический процесс, целью которого является накопление целевого продукта метаболизма, то при переходе от периодического процесса к непрерывному возникают новые задачи оптимизации по таким параметрам, как скорость протока и время подключения мембранного элемента; причем, как показывают предварительные расчеты, даже небольшое изменение режима работы мембранного элемента может изменить производительность биореактора по целевому продукту в несколько раз. В качестве критерия выбора оптимальных значений данных параметров использовалась производительность реактора по целевому продукту. Разработаны алгоритмы нахождения оптимальной скорости протока и времени подключения мембранного элемента. Данные алгоритмы были реализованы в виде программ. Рассчитанные оптимальные значения технологических параметров составили: время подключения мембранного модуля ГПС,Л1!Л= 60 ч, скорость протока 0=0,12 1/ч.

На основе системы уравнений (1) с учетом найденных значений времени подключения мембранного модуля и скорости протока был произведен расчет мембранного биореактора непрерывного действия. Результаты расчета приведены на Рис.3.

Рнс.З. Зависимость концентраций биомассы, лимонной кислоты и субстрата от времени в мембранном биорсакторс.

До вычисленного оптимального времени подключения мембранного модуля система работает в периодическом режиме. После этого момента начинается проток через мембранный модуль и с течением времени система выходит на стационар.

В третьей главе рассматривается разработка математической модели мембранного биореактора для процесса производства лимонной кислоты с учетом накопления осадка в мембранном модуле.

В первой части третьей главы описана серия экспериментальных исследований, проведенных совместно РХТУ им. Д.И.Менделеева и Гос НИИ Синтез-белок. Целью эксперимента было получение численных данных по реализуемой на практике скорости фильтрации через мембрану, интервалу рабочих давлений, селективности мембран. Кроме этого, в ходе эксперимента были измерены концентрации биомассы, питательного субстрата и лимонной кислоты в культуральной жидкости и фильтрате. Трубчатый керамический элемент для экспериментальных работ был изготовлен в РХТУ им. Д.И.Мендслсева.

Данные, полученные в результате эксперимента, были использованы при расчетах уравнений математической модели, а также для выбора и параметрической оптимизации модели фильтрации на мембране с учетом накопления осадка.

Во второй части третьей главы рассматривается математическая модель для процесса производства лимонной кислоты в мембранном биореакторе с учетом накопления осадка в мембранном элементе.

Для учета изменения скорости фильтрации на мембране выбрано эмпирическое уравнения снижения скорости фильтрации. Выбор уравнения был произведен на основе экспериментальных данных из базы знаний моделей микрофильтрации.

4. р°

Р р

Р (2 + Кс • Рр • <2>

где Рр - скорость фильтрации, л/мин; Рр° - начальная скорость фильтрации, Кс - коэффициент, характеризующий физические свойства мембраны, I - время фильтрации.

С целью удаления накопившегося осадка на мембране необходимы периодические импульсные обратные продувки с целью удаления слоя биомассы с поверхности элемента. Установлено, что продолжительность стадий непрерывного культивирования между продувками, может быть либо постоянной, либо быть привязанной к концентрации целевого продукта, в данном случае — лимонной кислоты. В первом случае процесс более прост в управлении, в то время как при включении мембранного модуля по достижении постоянной концентрации продукта в реакторе достигается больший выход продукта.

Процесс синтеза лимонной кислоты в мембранном биореакторе с учетом уравнения (2) был рассчитан для обоих концепций выбора продолжительности стадии между обратными продувками. Па Рис.4, представлены графики зависимости концентрации лимонной кислоты от времени как для процесса с постоянной продолжительностью стадий непрерывного культивирования между продувками, так и для случая с постоятюй концентрацией продукта в конце стадии.

Рнс.4. Зависимость концентрации лимонной кислоты от времени при постоянном времени между обратными продувками (а) п при постоянной концентрации продукта в конце стадии ферментации (б).

Анализируя характер зависимости, из графиков видно, во-первых, что выводы, сделанные в главе 2 верны и для расчетов с учетом накопления осадка

на мембране, но для полного моделирования процесса необходимо учитывать забивку мембраны осадком.

Во-вторых, сделан вывод, что вариант с постоянной продолжительностью стадий непрерывного культивирования между продувками более прост в реализации, но вариант с включением мембранного модуля по достижении постоянной концентрации продукта в реакторе обеспечивает более высокую производительность.

В четвертой главе рассматривается проблема устойчивого функционирования мембранного биореактора.

Было показано, что главными причинами потери устойчивости в мембранном биореакторе являются потери активной биомассы в результате ее задержки на мембране, а также проникновения через нее. Для проверки устойчивости существуют несколько методов. В данной работе устойчивость анализировалась с помощью первого метода Ляпунова.

Устойчивость системы зависит от значения скорости протока И.

Определено, что критическое значение О называемое точкой бифуркации для расчетных условий составляет 1.42 л/час. При значениях Б меньше критического устойчивой является точка с концентрациями :

Х=ООА,)/р, р= - (ОА3)/(2к.) + -Уд/2,

где Д=

В2А23/1 + 4д/А - 4яОА,к к2/?

(3)

.. . В точке бифуркации происходит качественная смена фазового портрета и устойчивой становится точка с нулевыми концентрациями, то есть при скорости протока через реактор, превышающей критическое значение, при любых начальных концентрациях данные концентрации начинают стремится к нулю, что недопустимо.

Если говорить о рассматриваемом реакторе, то рассчитанное значение 13=0.12 намного меньше критического значения 13=1.42, то есть не происходит потери бактерий, а следовательно и стабильности процесса.

105 0 5

15 20 25 30 3540

Ч

-19-5 0

15 20 25 30 3540

М

Рис.5. Фазовые портреты системы для ситуаций устойчивой и неустойчивой работы мембранного биореактора.

На Рис.5 приведены два фазовых портрета системы в координатах концентрация биомассы - концентрация продукта. Первый фазовый портрет относится к ситуации устойчивой работы реактора с выходом на стационар, второй фазовый портрет - неустойчивой работе при значении D выше критического.

Таким образом на конкретном примере процесса получения лимонной кислоты проиллюстрирована стратегия моделирования мембранных биореакторов: разработана модель мембранного биореактора без учета накопления осадка и определены оптимальный момент подключения мембранного модуля и скорость прокачки через мембрану (2 глава); выбрана модель фильтрации и определены параметры проведения процесса фильтрации (3 глава); проанализирована устойчивость работы мембранного биореактора (4 глава).

В пятой главе речь идет о моделировании процесса синтеза молочной кислоты в мембранном биореакторе. Выбор данного процесса обусловлен необходимостью проиллюстрировать проблему резкого повышения концентрации биомассы в реакторе, возникающую при переходе от периодического культивирования к непрерывном культивированию в мембранном биореакторе. Данное повышение концентрации может привести к возникновению в реакторе стрессовых условий, что необходимо отражать в модели. Кроме того, дополнительное стрессовое влияние на микробиологическую среду оказывает действие насоса во время прокачки через мембранный модуль.

В первой части пятой главы описана серия экспериментальных исследований, проведенных на базе Национального Политехнического Института Лоррена (Франция).

В ходе экспериментов использовалось оборудование французских участников проекта, а также мембранные модули российского и французского производства.

В качестве биокультуры использовались Lactobacillus а в качестве питательного субстрата - глюкоза. Эксперимент проходил в мембранном биореакторе с вынесенным мембранным модулем. В ходе первой части эксперимента были получены данные об изменении концентраций биомассы, субстрата и молочной кислоты в ходе периодического культивирования, то есть с отключенным мембранным модулем. В силу отсутствия рециркулирования эксперимент проходил в условиях низкой концентрации биомассы, благодаря чему были выявлены кинетические зависимости процесса синтеза молочной кислоты при отсутствии стресса микрорганизмов, вызванного высокой концентрацией биомассы

Во второй, основной, части эксперимента было проведено непрерывное культивирование с подключением мембранного модуля к биореактору. Как и в первой части измерялись значения концентраций в реакторе.

Вторая часть пятой главы посвящена построению математической модели мембранного биореактора с учетом накопления осадка на мембране для процесса производства молочной кислоты с помощью микроорганизмов Lactobacillus. Особенностью данной модели является учет особых «стрессовых» ситуаций в реакторе, когда высокая концентрация биомассы в реакторе вынуждает усложнять математическую модель с целью сохранения адекватности.

Модель сформирована исходя из условий идеального смешения в реакторе и состоит из дифференциальных уравнений для биомассы, субстрата и продукта. Уравнение для роста биомассы базируется на закономерности Моно, а уравнения, описывающие изменения концентраций субстрата и продукта биохимической реакции базируются на основе расходных коэффициентов. Особым шагом в формировании модели стало введение новых понятий критической концентрации биомассы и стрессовой зоны процесса. Принимается, что система при концентрациях биомассы выше критической входит в стрессовую зону, характеризующуюся переменными значениями Yp/s, Kd и р. Вне стрессовой зоны данные коэффициенты, описывающие соответственно влияние угнетения бактерий на скорость производства продукта, смертность микроорганизмов и скорость роста биомассы -постоянны. В условиях стрессовой зоны к основным уравнениям математической модели добавляются еще три уравнения, описывающие ход

dt х V

dS = Q,+Q2 dt V

dP

(S0-S)-rs

pX

J_ Yx/s

r -mX

Qi+Q2

(4)

V

r'= Yp/s r;

H =

K.+S + -

1 +

'p V

- Kh

vK'py

изменения во времени данных коэффициентов.

Уравнения, добавляемые к модели для стрессовой зоны

dKH

= A,Kd

dYp/s dt

= - A2Yp/s

dP dt

= A3 P

(5)

Л

где X - концентрация биомассы, Б — концентрация субстрата, БО — начальная концентрация субстрата, Р - концентрация продукта, гх'", ге'" , гр'" - скорости роста биомассы, расхода субстрата и роста продукта, Ух/в, Ур/э -

Р

расходные коэффициенты, характеризующие расход субстрата на рост биомассы и на производство продукта, m - коэффициент расхода субстрата на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов, ц - удельная скорость роста биомассы, (imax - максимальная удельная скорость' роста биомассы, Kd -коэффициент смертности бактерий, Ks, Kis, Kip - кинетические коэффициенты, п - показатель степени ингибирования процесса продуктом реакции, (3 -стрессовый коэффициент.

В уравнениях можно также использовать параметры Dd (скорость протока) и Dp (скорость очистки) вместо соответствующих объемных расходов:

Dd = 0i D = — (6)

" у р у

где С>1 - объемный расход биосреды с целью очистки, СЬ - объемный расход фильтрата, V - объем реактора.

Была проведена параметрическая оптимизация и найдены значения всех кинетических констант модели.

Расчеты показали, что данная модель удовлетворительно описывает ход процесса на всем его протяжении, и отклонение расчетных от экспериментальных значений не превышает соответствующей экспериментальной погрешности.

Fnc.fi. Зависимость концентраций субстрата, продукта ц биомассы от времени для процесса синтеза молочной кислоты в мембранном биореакторе.

Данная математическая модель учитывает возможность подключения канала очистки, то есть сброса биомассы через специальный патрубок из реактора. И после включения канала очистки модель адекватно описывает текущий процесс. Таким образом предложено решение выхода процесса из зоны стресса путем подключения канала очистки. На основании этого были даны рекомендации по конструкционному изготовлению реактора.

В третьей части пятой главы было рассмотрено, в качестве примера, использование npoipaMMiioro пакета MatLab для моделирования технологических процессов.

В данной работе MatLab был использован для расчета уравнений математической модели процесса производства а-молочной кислоты в мембранном биореакторе с учетом стрессовых условий в реакторе, представленной в главе 5. С помощью MatLab была также проведена параметрическая оптимизация параметров модели. Адекватность модели проверялась путем сравнения с экспериментальными данными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана стратегия моделирования и проектирования мембранных биореакторов на основе проведенного теоретического и экспериментального анализа функционирования различных видов мембранных биореакторов и выявления наиболее значимых явлений и процессов.

2. Проведен ряд экспериментальных исследований по

• изучению стресса микроорганизмов Lactobacillus в мембранных биореакторах;

• исследованию процесса микрофильтрации биосуспензий, содержащих лимонную или а-молочную кислоту, на различных типах мембранных элементах;

• изучению процессов ферментации лимонной и а-молочной кислот в мембранных биореакторах.

3. Разработано автоматизированное моделирование процессов в биореакторе, включающее выбор соответствующей математической модели кинетики на основе вводимых пользователем экспериментальных данных, а также соединение кинетической модели с моделью гидродинамики.

4. Разработана математическая модель стресса микроорганизмов в мембранном биореакторе, проверена адекватность. На основе этой модели выявлен механизм и стадии стресса микроорганизмов и теоретически обоснованы рекомендации для организации процесса ферментации и конструкции реактора.

5. Разработаны методика и математическое описание для определения устойчивости мембранного биореактора. Использован первый метод Ляпунова. Определение устойчивости необходимо для правильной организации непрерывного процесса ферментации.

6. Выбран критерий оптимизации для определения потока на вынесенную мембрану, а также сделаны рекомендации по времени включения мембраны.

7. Разработано математическое описание и программное обеспечение для расчетов процессов ферментации в мембранных биореакторах, реализованное с использованием пакетов Turbo Pascal, MatLab.

8. Выполнен расчет периодического и непрерывного процессов получения лимонной и а-молочной кислот, наглядно доказавший эффективность непрерывного способа. Выданы рекомендации по конструктивным особенностям мембранного биореактора и параметрам ведения процесса ферментации а-молочной кислоты для группы ученых, занимающихся проблемами синтеза а-молочной кислоты (Национальный политехнический институт Лорена, Нанси, Франция). Передан пакет программ по моделированию стресса микроорганизмов. Внедрен комплекс программ по расчету мембранного биореактора и приняты рекомендации по его использованию в ОАО НПФ «Пигмент», Санкт-Петербург.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скороходов A.A., Гусева Е.В., Меныпутина Н.В. Математическое моделирование процессов массообмена в мембранных биореакторах. Тез.докл. Моск. конф. молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-95», М., РХТУ, 1995.

2. Гордеев Л.С., Гусева Е.В., Скороходов A.B., Мясоедов С.Н., Меньшутина Н.В. Моделирование процессов массопереноса через керамическую мембрану в мембранном биореакторе (на примере производства лимонной кислоты). Тез.докл.Межд. конф. «Математические методы в химии и химической технологии» (ММХ-10), Тула, 1996.

3. Гордеев Л.С., Винаров А.Ю., Гусева Е.В., Скороходов A.B., Меньшутина Н.В. Моделирование процессов массообмена в мембранных биореакторах. Международная конф. «Heat/mass Transfer MIF-96» («Тепломассообмен ММф-96»), Минск, 1996, T.XI.

4. Скороходов A.B., Меньшутина Н.В. Математическое моделирование биореакторов со встроенными керамическими мембранами. Тез. докл. на X Межд. Конф. Мол. ученых по химии и химической технологии «МКХТ-96», Москва, РХТУ, 1996.

5. Скороходов А., Гордеев Л., Меныпутина Н. Математическое моделирование и анализ устойчивости непрерывного режима работы мембранного биореактора. ТОХТ, 1998, т.1, 17 с.

6. Gordeev L.S., Skorohodov A.V., Menshutina N.V. Modelling and optimization of continuous and semicontinuous process in membrane bioreactor. ECCE -1, Florence, Italy, May 4-7, 1997, p. 1311-1315.

7. Skorohodov A.V., Guseva E.V., Sichkareva OA., Dmitriev E.A., Menshutina N.V. Design of a membrane bioreactor. Report «International Meeting on

Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology ACHEMA'97», Germany, Frankfort-on Main, June 9-14, 1997.

8. А. Скороходов, В. Кузнецов, JI. Гордеев, H. Менынутина. Моделирование процесса в мембранном биореакторе с вынесенной мембраной. Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии»: Школа по моделированию автоматизированных технологических процессов, тезисы докладов, 1997, Новомосковск, т.1, Секция. 1.

9. 13th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA' 1998, 228 August, 1998 - Praha, Czech Republic, Summaries. V.2.

Ю.Меньшутина H.B., Скороходов A.B., Богословская O.B. Компьютерно-интеллектуальная система для выбора наиболее подходящего оборудования при организации водооборота. МАТЕРИАЛЫ КРУГЛОГО СТОЛА. "Высокоэффективная очистка водного и воздушного бассейнов города". РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 1999.

ll.Skorohodov A.V., Menshutina N.V. Report «International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology ACHEMA'2000», Germany, Frankfort-on Main, June 22-26,2000 (in print).

12.Bouilmnl J., Fick M., îvienshulinaN.V., Skoronodov A.V. Modelling ofiactic acid production in membrane bioreactor. 14th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'2000, 27-31 August, 2000 - Praha, Czech Republic, (in print).

13.Skorohodov A.V., Menshutina N.V.,. Fick M., Boudrant J. Modelling and stability of lactic acid production process in membrane bioreactor. 14th International Congress of Chemical and Process Engineering 27-31 August, 2000 - Praha, Czech Republic, CHISA'2000 (in print).

Введение.

Глава I. Литературный обзор

1.1. Общие сведения о микробиологических и мембранных процессах

1.1.1. Классификация биореакторов и мембранных процессов.В

1.1.2. Мембранные биореактора. Типы и применение.

1.2. Математическое моделирование процессов, протекающих в мембранных биореакторах.

1.3. Математическое моделирование процесса получения лимонной и молочной кислот

1.3.1 .Лимонная кислота.

1.3.2.Молочная кислота.

1.4. Постановка задачи.

Глава II. Стратегия построения математической модели мембранного биореактора

2.1. Анализ и варианты конструктивного исполнения мембранных биореакторов.

2.2. Алгоритм построения математической модели мембранного биореактора.

2.3. Систематизация кинетических моделей ферментационных процессов.

2.3.1 .Уравнения кинетики роста биомассы.

2.3.2.Уравнения кинетики роста продукта.

2.3.3. Уравнения кинетики расхода субстрата.

2.3.4. Дифференциальные уравнения изменения концентрации на основе гидродинамики и кинетики.

2.4. Пример разработки математической модели мембранного биореактора

2.4.1. Модель биореактора для процесса производства лимонной кислоты.

2.4.2. Определение оптимального времени подключения мембраны.

2.4.3. Определение оптимальной скорости протока.

2.5. Результаты расчета уравнений математической модели.

Глава III. Разработка математической модели мембранного биореактора для процесса производства лимонной кислоты с учетом накопления осадка на мембране

3.1. Экспериментальные исследования по изучению процесса микрофильтрации биосуспензии

3.1.1. Цели и задачи эксперимента.

3.1.2. Описание эксперимента.

3.1.3. Результаты эксперимента.

3.1.4. Проверка адекватности математической модели периодического культивирования.

3.2. Математическая модель мембранного биореактора для процесса производства лимонной кислоты с учетом накопления осадка на мембране.

3.3. Результаты расчета уравнений математической модели

3.3.1. Результаты расчета уравнений математической модели с постоянной конечной концентрацией продукта на каждой стадии.

3.3.2. Результаты расчета уравнений математической модели с постоянной продолжительностью стадий.

Глава IV. Устойчивость работы мембранного биореактора

4.1. Вывод соотношений для определения устойчивой работы мембранного биореактора.

4.2. Расчет параметров устойчивого функционирования мембранного биореактора для синтеза лимонной кислоты.

Глава V. Разработка математической модели мембранного биореактора для процесса производства молочной кислоты с учетом стрессовых условий в реакторе.

5.1. Методика и результаты эксперимента по синтезу молочной кислоты в мембранном биореакторе.

5.2. Разработка математической модели мембранного биореактора для процесса производства молочной кислоты.

5.3. Пример использования программного пакета MatLab для моделирования технологических процессов.

Одним из направлений развития научно-технического прогресса является переход от химической технологии к биотехнологии, позволяющей синтезировать новые, а также получать известные вещества и материалы, отличающиеся высоким качеством и низкой себестоимостью. В данном аспекте использование мембранных биореакторов является весьма перспективным направлением, так как открывает широкие возможности повышения эффективности производства, уменьшения энергопотребления и потребление площадей.

Однако, мембранные биореактора, активно развивающиеся в последние 10 лет, недостаточно изучены. Вследствие этого особое значение приобретают вопросы выявления закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработки подходов к моделированию процессов ферментации в них. Поэтому целью данной работы являлось выявление закономерностей функционирования мембранных биореакторов и разработка подходов к моделированию процесса ферментации в них. В качестве экспериментальных объектов были выбраны процессы производства лимонной кислоты и а-молочной кислоты.

Лимонная кислота является одной из важных органических кислот. Она используется в пищевой промышленности, в фармацевтической промышленности и для технических целей: как антивспениватель, при обработке текстиля, в производстве чистых металлов, как заменитель полифосфатов в детергентах, для поглощения S02. и т.д. Увеличение производства молочной кислоты является важной проблемой, так как именно эта кислота представляет собой основу для производства биодеградируемых полимеров, т.е. полимеров, способных разлагаться со временем. Создание таких полимеров поможет решить различные экологические, технические и медицинские задачи.

Растущая потребность в лимонной и молочной кислоте требует значительного увеличения их производства, поиска активных штаммов и разработки новых более эффективных способов. Одним из способов повышения эффективности производства данных кислот является переход от периодического способа к непрерывному и использование для этой цели мембранных биореакторов. Исследование вопросов стабильности мембранных биореакторов и воздействия стрессовых условий на микроорганизмы позволят качественным образом повысить выход продукта (лимонной и молочной кислот) в процессе культивирования.

В первой главе - литературном обзоре - приведены общие сведения о микробиологических и мембранных процессах, рассмотрены вопросы математического моделирования процессов, протекающих в мембранных биореакторах, а также технология микробиологического производства лимонной и молочной кислот.

Вторая глава посвящена разработке стратегии моделирования мембранных биореакторов. Проведен анализ работы различных типов мембранных биореакторов, рассмотрены возможные варианты конструктивного исполнения мембранного биореактора, систематизированы и классифицированы явления в них, выявлены наиболее значимые.

Разработан алгоритм построения математической модели мембранного биореактора, приведен обзор кинетических моделей.

На примере модели биореактора для процесса производства лимонной кислоты проиллюстрирован пример разработки математической модели мембранного биореактора.

В первой части третьей главы описана серия экспериментальных исследований, проведенных совместно РХТУ им. Д.И.Менделеева и Гос НИИ Синтез-белок.

Во второй части третьей главы рассматривается математическая модель для процесса производства лимонной кислоты в мембранном биореакторе с учетом накопления осадка в мембранном элементе.

В четвертой главе рассматривается проблема устойчивого функционирования мембранного биореактора. Рассмотрены теоретические проблемы, связанные с устойчивостью работы мембранного биореактора. На конкретном примере мембранного биореактора, рассчитанного в главе 2, произведена проверка устойчивости.

В пятой главе речь идет о моделировании процесса синтеза молочной кислоты в мембранном биореакторе. Выбор данного процесса обусловлен необходимостью проиллюстрировать проблему резкого повышения концентрации биомассы в реакторе, возникающую при переходе от периодического культивирования к непрерывном культивированию в мембранном биореакторе. Данное повышение концентрации может привести к возникновению в реакторе стрессовых условий, что необходимо отражать в модели. Кроме того, дополнительное стрессовое влияние на микробиологическую среду оказывает действие насоса во время прокачки через мембранный модуль.

В первой части пятой главы описана серия экспериментальных исследований, проведенных на базе Национального Политехнического Института Лоррена (Франция).

Вторая часть пятой главы посвящена построению математической модели мембранного биореактора с учетом накопления осадка на мембране для процесса производства молочной кислоты с помощью микроорганизмов Lactobacillus.

В третьей части пятой главы было рассмотрено, в качестве примера, использование программного пакета MatLab для моделирования технологических процессов. 7

Диссертационная работа иллюстрирована блок-схемами, численными схемами; результаты расчетов представлены как в табличном, так и в графическом виде, что удобно для исследования и использования моделей.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям диссертационной работы - к.т.н. Меньшутиной Н.В., проф. Гордееву JI.C., зав. лабораторией ГосНИИСинтезБелок, где проводился эксперимент, проф. Винарову А.Ю., французским коллегам: проф. М. Фику и Ж.Будрану, а также всем студентам и аспирантам научной группы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана стратегия моделирования и проектирования мембранных биореакторов на основе проведенного теоретического и экспериментального анализа функционирования различных видов мембранных биореакторов и выявления наиболее значимых явлений и процессов.

2. Проведен ряд экспериментальных исследований по

• изучению стресса микроорганизмов Lactobacillus в мембранных биореакторах;

• исследованию процесса микрофильтрации биосуспензий, содержащих лимонную или а-молочную кислоту, на различных типах мембранных элементах;

• изучению процессов ферментации лимонной и а-молочной кислот в мембранных биореакторах.

3. Разработано автоматизированное моделирование процессов в биореакторе, включающее выбор соответствующей математической модели кинетики на основе вводимых пользователем экспериментальных данных, а также соединение кинетической модели с моделью гидродинамики.

4. Разработана математическая модель стресса микроорганизмов в мембранном биореакторе, проверена адекватность. На основе этой модели выявлен механизм и стадии стресса микроорганизмов и теоретически обоснованы рекомендации для организации процесса ферментации и конструкции реактора.

5. Разработаны методика и математическое описание для определения устойчивости мембранного биореактора. Использован первый метод Ляпунова. Определение устойчивости необходимо для правильной организации непрерывного процесса ферментации.

133

6. Выбран критерий оптимизации для определения потока на вынесенную мембрану, а также сделаны рекомендации по времени включения мембраны.

7. Разработано математическое описание и программное обеспечение для расчетов процессов ферментации в мембранных биореакторах, реализованное с использованием пакетов Turbo Pascal, MatLab.

8. Выполнен расчет периодического и непрерывного процессов получения лимонной и а-молочной кислот, наглядно доказавший эффективность непрерывного способа. Выданы рекомендации по конструктивным особенностям мембранного биореактора и параметрам ведения процесса ферментации а-молочной кислоты для группы ученых, занимающихся проблемами синтеза а-молочной кислоты (Национальный политехнический институт Лорена, Нанси, Франция). Передан пакет программ по моделированию стресса микроорганизмов. Внедрен комплекс программ по расчету мембранного биореактора и приняты рекомендации по его использованию в ОАО НПФ «Пигмент», Санкт-Петербург.

1. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. М.: Изд-во МГУ, 1989. - 293с.

2. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990.-с. 193, 194.

3. Безбородов A.M. Биотехнология продуктов микробного синтеза. М.: Агропромиздат, 1991.-280с.

4. Chemchaisri С., Yamamoto К. /Biological nitrogen removal under low temperature in a membrane separation bioreactor// Water Science Technology, 1993, Vol. 28, No 10, pp. 325-333.

5. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. М.: Лесн. пром-ть, 1979. - 344с.

6. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. М.: Наука, 1985. - 296с.

7. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. М.: Лесн. пром-ть- 1985. - 280с.

8. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологических производств.- Киев: Техника, 1985, с.58-111.

9. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. и др. Ферментеры колонного типа для микробиологических процессов. М.: 1976, - 48с.

10. Ю.Аткинсон Б. Биохимические реакторы. М.: Пищ. Промышленность, 1991, - 238с.

11. П.Смирнов Н.Н., Плесовских В.А. Биохимические реакторы. Учебник для вузов. Санкт-Петербург: Химиздат, 1998, - 127с.

12. Vanags J.J., Richmanis M.A., Ushkans E.J./ Stirring characteristics in bioreactors// AlChE Journal, 1990, Vol. 36, No. 9, pp. 1361-1369.

13. Nishivaki A., Dunn I.J., Bourne J.R./ Optimal mixing conditions for a steady-state bioreactor with substrate limited microbial growth// Trans ChemE, 1990, Vol. 68, Part A, pp. 387-390.

14. Патент №1353008 (Великобритания), 1971.

15. Mefrann A., Schneider G., Voit H., Wenzig E./ Selection and design of aerobic bioreactors// Chem. Eng. Technol., 1990, Vol. 13, pp. 357-370.

16. Гапонов К.П. Процессы и аппараты микробиологических производств. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 23-40.

17. П.Брок Т. Мембранная фильтрация. М.: Мир, 1987, 462с.

18. Штильман М.И. Полимерные селективные мембраны в медицине и биологии. М.: ВНТИДентр, 1987, 31с.

19. Гордеев Л.С., Меньшутина Н.В., Гусева Е.В. Керамические мембраны: применение и моделирование. Вестник Тамбовского государственного технического университета, 1997, №3, №1-2, с. 61-82.

20. Matsui Y., Yamaguchi F., Suwa Y., Yroshigawa Y./ Growth characteristics of activated sludges acclimated to paranitrophenol in batch and continuous modes// Water Science and Technology. 1994, V.29, N.7.

21. Prazeres D.M., Cabral J.M.S./ Enzymatic membrane bioreators and their application// Enzyme Microb. Technol. 1994,- Vol.16, September, P.738-750.

22. Марквичев H.C. Культивирование дрожжей в мембранном биореакторе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1087, 462с.

23. TECH-SEP Rhone-Poulenc Group. Prospect from 25th Exhibition Congress International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology Frankfurt am Main, 9-14 June, 1997, Germany.

24. Hirata Shigeru, Matsumoto Kanji, Ohya Haruhiko/ Sekko to Serkai=Gyps & Lime.- 1992. №240, P.364-374.

25. Rickert Hans, Holzapfel Gunter, Muller Peter, Bewer Bewnard. №4003193.4.

26. Nakajima,M., A.Watanabe, H.Nabetani, H.Horikata, S.Nakao, Argc.Biol.Chem.,- 1988, Vol.52, №2, - P.357-365.

27. Finnigan Т., Shackleton R, Skudder P./ Filtr. Sep. 1989, (May/June), P. 198.

28. E.Ferras, M.Minier, G.Goma. Acetonobutylic Fermentation: Improvement of Performances by Coupling Continuos Fermentation and Ultrafiltration// Biotechnology and Bioengineering.- 1986, Vol.28, - P.523-533.

29. Nirkow A., Zeikus J.G., Gtrhardt P./ Biotechnol. Bioeng. 1989, Vol.34, P.1075.

30. Reed W.M., Bogdan М.Е./ Biotechnol. Bioeng. Symp. 1985, Vol.15, P.641.

31. Кольцова Э.М., Гордеев JI.C. Методы синергетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1999. - 256с.

32. Ripperger and G.Schulz, Wuppertal. Microporous membranes in biotechnical application.//Bioprocess Engineering.- 1986, №1, P.43-49.

33. Boyaval P., Corre Ch., Mades M.-N./ Propioninc acid production in a membrane bioreactor// Enzyme and Microbial Technology. 1994, V.16, N.10.

34. Roy E., Isambert A., Depeyre D./ Experimental approaches for the membrane separation of ethanol-water mitures. Membrane distillation.// The sixth world filtration congress. 1993, 18-21 May, Nagoya, Japan.

35. Kayawake E., Narukami Y., Yamamata M./ Anaerobic Digestion by a Ceramic Enclosed Reactor// J. of Fermen. and Bioeng. 1991, Vol.71, №2, P.122-125.

36. Elluard M.P., Maurel A./ Membrane reactor with double mass transfer: membrane requirement, fouling analysis and flux prediction during ultrafiltration of cell culture medium// J. of Membrane Sci. 1992, №69, P.259-272.

37. M.W. Reij, K.D. de Gooijer, J.A.M. de Bont, S. Hartmans. Membrane bioreactor with a porous membrane as a gas-liquid contactor for waste gas treatment. Biotechnology and Bioengineering, 1995, Vol. 45, pp 107-115.

38. K. Scluigerl, A. Lubberl, T. Scheper. Online process analysis in bioreactors. -International Chemical Engineering, 1990, Vol. 30, No 3, pp 433-451.

39. D. Brown-Brulant, D. Depeyre, A. Isambert. Designing pressure relief equipment for a batch reactor. Computers chem. Engineering, 1995, Vol. 19, pp 537-542.41 .Moresi M.J. Chem. Technol. Biotechnol. Vol. 60(4), 1994 pp. 387-395.

40. Гриневич А.Г., Босенко A.M. Техническая микробиология. M.: Высшая школа, 1986. 168 стр.

41. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. М.: Колос, 1992. 383 стр.

42. Groot W.J., van der bans R.G.J.M. and Luyben K.Ch.A.M./ Process engineering for a membrane recycle fermentor// Bioprocess Engineering. -1993, N.8, p. 235-246.

43. Freitas doc SantosL.M., Livingston A.G./ Novel bioreactor for destruction of volatile organic compounds// Trans IchemE. 1993, Vol 71, Part A, pp. 324326.

44. Knoblock M.D., Sutton P.M., Mishra P.N., Gupta K., Janson A./ Membrane biological reactor system for treatment of oily wastewaters// Water Environment Research. 1994, Vol.66, No. 2, p. 133-139.

45. Pankhnn'm M., Stephenson Т., Semmcns .!./ Hollow fibre bioreactor for wastewater treatment using bubbleless membrane aeration// Water Researches. 1994, Vol. 28, No. 10, p.2233-2236.

46. Винаров А.Ю., Санчес О., Гордеев Л.С. Оптимизация процесса биосинтеза лимонной кислоты. Тохт. 1996, 30, №5. - с. 525-532.

47. Варфоломеев С.Р., Калюжный С.В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. -М.: Высшая школа, 1990, 296с.

48. Sakurai J./ Citric acid production by A. Niger// J/ Ferment. Bioeng. 1991, Vol. 72, p.14-19.

49. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х книгах. Часть 2. Массобменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. 368 с.

50. Дытиерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. -М.: Химия, 1975.-232с.

51. Менынутина Н.В., Массон С.Е. Моделирование процесса разделения газов в рулонном мембранном газодиффузионном элементе. Сб. научн. трудов, М.,МХТИ, 1992, 6с.

52. Цыциков В.Н., Ветохин В.Н., Хантургаев Г.А. Очистка обработанных смазочно-охлаждающих жидкостей методом ультрафильтрации с вращающейся мембраной.// Химия и технология топлив и масел, 1991, N11.

53. Ветохин В.Н., Хантургаев Г.А., Цыциков В.Н. Очистка обработанных СОЖ методом ультрафильтрации.// Мембранная технология в решении экологических проблем. Тез. докл. Всес. сем.-школы, Улан-уде 17-23 июня 1990.

54. Dorohov I.N., Menshutina N.V., Masson S.E. Simulation of gas separation process for the cross flow case and creation of two-membrane element.// Decheme. Conf. German.,1994.

55. Гусева E.B., Инжиевская H.B., Гордеев JI.C. Моделирование процесса микрофильтрации на керамических трубчатых мембранах. Тезисы докладов 8 Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ 8". 1994, Москва, стр.30.

56. Gordeev L., Menshutina N., Tal-Figiel В., Guseva E. Modelling of biosuspension microfiltration with ceramic membrane. Report XVI OGOLNOPOLSKA KONFERENCIA INZYNIERI1 CHEMICZNEJIPROCESOWEJ, 1998, September, in print.

57. Merten U. Flow relationships in reverse osmosis// Lnd.Eng. Chem.Fund. -1963. -Vol.2, N3. -P.229-232.

58. Kedem O., Katchalsky I. Thermodynamic analysis of the permeability of biological membranes to non-electrolytes// Biochimica et Biophysica Acta. -1958. -Vol.27. -P.229-232.

59. Depeyre D., Isambert A., Valter E., Mouihi M. Fouling experimental studies in tangential ultrafiltration of oil/water emulsion// Proceeding V- World Filtration Congress.

60. Blatt W.F. et. al. Solute polarization and cake formation in membrane ultrafiltration: causes, consequences and control techniques.// Cake formation in membrane ultrafiltration, J.E.Flinn ed. Plenum Press.-New-York.-1970, p.47-79.

61. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения// М., Химия. - 1981 - 464с.

62. Braddock R.J., Cadwallader K.R. Citric by-products manufacture for food use// Food Technol. 1992. - №46(2). - p. 105-110. - engl.

63. Aravantinos-Zafiris G., Tzia C., Orepoulou V., Thomopoulos C.D. Fermentation of orange processing wastes for citric acid production.// J. Sci. Food Agric. 1994. - Vol. 65. - p. 117-120. - engl.

64. Mattey M. The production of organic acids. CRC Crit. Rev. Biotechnol. 1992, 12.-p. 87-132.-англ.

65. Никифорова Т.А., Лернер Р.Б. Производство лимонной кислоты в России.- М.: Пищ. пром-сть. 1994, №6. - с. 10-11.

66. Бережиенко Д.А., Львова Е.Б., Гуревич М.А., Новицкая И.Б., Костров А.В. Малотоннажное производство кристаллической лимонной кислоты. М.: Пищ. пром-сть. - 1994, № 12. - с.22.

67. Еня В.И., Васильева Н.В., Карант М.Л. Микробиологический путь получения лимонной кислоты из углеводородного сырья минерального происхождения. Ин-т физ.-орган. Химии и углехимии АН Украины. -Донецк. 1994. - 15с.

68. Винаров А.Ю. Обзор по лимонной кислоте. ГосНИИсинтезбелок.

69. Torres N.V. Modelling approach to control of carbohydrate metabolism during citric acid accumulation be Aspergillus Niger: I. Model definition and stability of the steady state// Biotechnol. Bioeng. 1994. - Vol.44, № 1, June 5. - p. 104-1 ll.-engl.

70. Torres N.V. Modelling approach to control of carbohydrate metabolism during citric acid accumulation be Aspergillus Niger: II Sensivity analysis// Biotechnol. Bioeng. 1994. - Vol.44, № 1, June 5.-p. 104-111. - engl.

71. Akihiko Sakurai, Hiroshi Imai, Tetsuo Ejiri, Kazno Endoh and Shoji Usami. Citric acid production by surface culture using Aspergillus Niger: kinetics and simulation// J. Of Fermentation and Bioengineering. Vol. 72, № 1. - 1991. -p. 15-19. -engl.

72. Mayilvahanan D., Annadurai G., Raju V., Chellapandian M., Krishnan M.R.V./ Citric acid production// Bioprocess Engineering. 1996, No. 15, p. 323-326.

73. Roukas Т./ Citric acid production from carbon pod extract by cell recycle of Aspergillus Niger ATCC 9142// Food Biotechnology. 1998, No. 12 (1&2), p. 91-104.

74. Черкасов A.H., Пасечник В.А. Мембраны и сорбенты в биотехнологии. Ленинград: Химия, 1991. 240 стр.

75. Брык М.Т., Цапюк Е.А., Твердый А.А. Мембранная технология в промышленности. Киев: Техника, 1990. 248 стр.

76. Тимашев С.Ф. Физико-химия мембранных процессов. М.: Химия, 1988. 240 стр.

77. Bibal В., Vayssier Y., Goma G., Pareilleux A./ High-concentration cultivation of Lactococcus cremoris in a cell-recycle reactor// Biotechnology and Bioengineering. 1991, Vol. 37, p. 746-754.

78. Tejayadi S., Cheryan M./ Lactic acid from cheese whey permeate. Productivity and economics of a continuous membrane bioreactor// Appl. Microbiol. Biotechnol. 1995, No. 43, p. 242-248.

79. Hayakawa K., Sansawa H., Nagamune Т., Endo I./ High density culture of Lactobacillus casei by a cross-flow culture method based on kinetic properties of the microorganism// J. of Fermentation and Bioengineering/ 1990, Vol. 70, No. 6, p. 404-408.

80. Bel fares L., Altaba S., Rons M. N., Engasser J.M., Fick M./ Contribution of inorganic and organic ions conductivity changes during lactic acid fermentation //Bioprocess Engineering, vol.9 (1993) 197-204.

81. Mouedeb H., Sanchez J., Bardot C., Fick M./ Membrane bioreactor for lactic acid production.// Journal of Membrane Science, (1996), 114, 59 71

82. Boudrant J., Engasser J.M., Pons M.N./ Modelisation et fermentation lactique, in "Bactlries Lactiques"// Editions Lorica, Uriage, France, (1994), Volume 2, 491-503.

83. Schulz G, Ripperger/ Concentration polarization in crossflow microfiltration// J. Membrane Sci. 1989. - No.40, P. 173-187

84. Aimar P., Taddei C., Lafaille J.-P., Sanchez V./ Mass transfer limitation during ultrafiltration of cheese whey with inorganic membranes// J. Membrane Sci. -1988. -No.38, P.203-221.

85. Nancib N, Ghoul M, Larous L, Nancib A., Adimi L., Remmal M./ Use of dare products in production of thermophilic starter strain Streptococcus Chermophilus (1998)// Bioresource Technology.

86. Скороходов A.A., Гусева E.B., Меньшутина Н.В. Математическое моделирование процессов массообмена в мембранных биореакторах. Тез.докл. Моск. конф. молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-95», М., РХТУ, 1995.

87. Гордеев Л.С., Винаров А.Ю., Гусева Е.В., Скороходов А.В., Меньшутина Н.В. Моделирование процессов массообмена в мембранных биореакторах. Международная конф. «Heat/mass Transfer MIF-96» («Тепломассообмен ММф-96»), Минск, 1996, Т.Х1.

88. Скороходов А.В., Меныиутина Н.В. Математическое моделирование биореакторов со встроенными керамическими мембранами. Тез. докл. на X Межд. Конф. Мол. ученых по химии и химической технологии «МКХТ-96», Москва, РХТУ, 1996.

89. Скороходов А., Гордеев JL, Меныиутина Н. Математическое моделирование и анализ устойчивости непрерывного режима работы мембранного биореактора. ТОХТ, 1998, т. 1, 17 с.

90. Gordeev L.S., Skorohodov A.V., Menshutina N.V. Modelling and optimization of continuous and semicontinuous process in membrane bioreactor. ECCE-1, Florence, Italy, May 4-7, 1997, p. 1311-1315.

91. Biran A., Moshe M.G./ MATLAB for Engineers.// Addison-Wesley, 1995.144

92. Etter D.M./Engineering Problem Solving with MATLAB. //Prentice Hall,1997.

93. Fortin A. /Analyse numerique pour ingenieur. //Edition de l'ecole polytechnique de Montreal, Montreal, 1996.

94. William J. Palm I. /Introduction to MATLAB for Engineers.// McGraw-Hill,1998.

95. Разработанный в РХТУ им. Д.И.Менделеева комплекс программ исполь-гется на ОАО «НПФ «Пигмент» для проектных расчетов и для решения задач 1тимизации и контроля мембранных биореакторов, применяемых для очистки входов лакокрасочного производства.

96. Экономический эффект от внедрения составил 200 тыс. руб./год.

97. Данный акт не является основанием для материального поощрения.1. УТВЕРЖДАЮ»1. Прорект научной работе1. РХТУ /1 . И. Менделеева1. УТВЕРЖДАЮ»зальный директор Л^кНПФ «Пигмент»

98. ЩУ Петропавловский И.А. « июля 1997 г.

99. Агафонов Г.И. т gЦ июля 1997 г.1. АКТвнедрения мембранного биореактора для очистки сточных вод

100. Мембранный биореактор был установлен на ОАО «НПФ «Пигмент» для обезвреживания отходов лакокрасочного производства.

101. Экономический эффект от внедрения мембранного биореактора для очистки сточных вод составил 250 тыс. руб./год.

102. Данный акт не является основанием для материального вознаграждения.