Defining the degree of blending of microorganisms with various time of staying in flow-line bioreactors | Определение степени смешивания микроорганизмов с различным временем пребывания в поточных биореакторах

Английский. The possibility of assessing the character of hydrodynamics of two-phase flow in continuously operated bioreactors is considered, taking into account the presence of microturbulences or lamellar convective mixing resulting in disturbing sequential movement of microorganisms (MO) in the system. It is suggested to perform the mentioned assessment by calculating the shares of MO which differ among themselves by the time of staying in any given volume of the device. It is known for fact that in case of coexistence in a unit volume of the production substrate of MO of various age as correlated to their time of stay in a reactor, biochemical process of the targeted mass exchange runs inefficiently. As metabolic processes are very fast in MO, changes in their age-related functional characteristics may be associated with the time of stay of the cells in the system. In order to make key decisions while designing new devices or upgrading the existing ones with the task of realizing the models of flow approximating to piston flow, one needs a method of calculating the share of the coexisting MO with various time of stay in the volume of the bioagents' flow of interest. The calculated data are important for the functional-and-structural simulation of a twp-phase flow of agents, among which the living cells of MO are determinant for biotechnological processes. However, there a solution to assessing the system's condition has not of yet been found. This work suggests a probability-theoretical approach to development of a mathematical model helping calculate the share of the coexisting MO with various time of stay in an arbitrarily given volume of the device by means of setting initial and boundary conditions. The method is based on assessing the density of function of distribution according to the time of stay of the MO cells in devices. These results allow to assess the condition of hydrodynamics of the flow of the system "production substrate microorganisms", and based on that to predict the efficiency of biochemical processes realized in flow-line devices.

Русский. Рассмотрена возможность оценки характера гидродинамики двухфазного потока в биореакторах непрерывного действия с точки зрения наличия микротурбулентностей или конвективного ламинарного перемешивания, приводящих к нарушению последовательного продвижения микроорганизмов (МО) в системе. Предложено осуществлять оценку путём расчёта долей МО, отличающихся между собой по времени пребывания в любом заданном объёме аппарата. При сосуществовании в единичном объёме производственного субстрата МО со значительной разницей в возрасте, коррелирующей со временем пребывания их в реакторе, биохимический процесс направленного массообмена идёт неэффективно. Поскольку метаболические процессы у МО протекают с большой скоростью, изменение их возрастных функциональных признаков можно соотносить с временем пребывания клеток в системе. Для принятия принципиальных решений при конструировании новых аппаратов или модернизации имеющихся, с задачей реализации моделей потока, приближающегося к поршневому, необходимо иметь метод расчета доли сосуществующих МО с различным временем пребывания в интересующем объёме потока биореагентов. Расчетные данные важны для функционально-структурного моделирования двухфазного потока реагентов, определяющими из которых в биотехнологических процессах являются живые клетки МО. Предложен теоретико-вероятностный подход к построению математической модели, позволяющей рассчитать долю сосуществующих МО с различным временем пребывания в произвольно заданном объёме аппарата путём принятия начальных и граничных условий. Методика базируется на определении плотности функции распределения по времени пребывания клеток МО в аппаратах. Данные результаты позволяют оценить состояние гидродинамики потока системы "производственный субстрат – микроорганизмы" и на этом основании прогнозировать эффективность биохимических процессов, реализуемых в поточных аппаратах.