13.5.6 Chemostat Cascade gabungan antara dua atau lebih CSTRs dalam rangkaian seri menghasilkan proses multi-tahap di mana kondisi seperti pH, temperatur dan komposisi media dapat bervariasi di setiap reaktor. Hal ini menguntungkan jika kondisi reakor yang diperlukan berbeda dengan sintesis produk, misalnya dalam produksi protein rekombinan dan metabolit, banyak yang tidak secara langsung berhubungan secara metabolisme energi. Salah satu cara mengoperasikan cascade chemostat dua tahap ditunjukkan pada Gambar 13.28, dalam proses ini aliran produk dari reaktor pertama feed langsung ke yang kedua. Substrat meninggalkan reaktor pertama pada konsentrasi sI diubah dalam tangki kedua sehingga s2 < sI dan P2 > Pl "Dalam beberapa aplikasi, CSTR kedua dilengkapi dengan media segar yang mengandung nutrisi, induser atau inhibitor untuk pembentukan produk yang optimal. Desain persamaan untuk cascades CSTR sel dan enzim dapat diturunkan sebagai perpanjangan sederhana dari teori yang dikembangkan dalam massa-keseimbangan yang sama .
Gambar 13,27 Steady-state konversi substrat sebagai fungsi dari tingkat pengenceran dengan dan tanpa sel amobil. Kurva dihitung dengan nilai parameter berikut:
Dalam cascades fermentor, sel dimasuki pembuluh dan selanjutnya akan melalui periode pertumbuhan tidak seimbang karena mereka beradaptasi dengan kondisi lingkungan baru di setiap reaktor. Oleh karena itu, penggunaan model metabolik sederhana tidak terstruktur seperti yang diuraikan dalam teks, ini tidak selalu memberikan hasil yang akurat. Namun demikian, dapat ditunjukkan bahwa waktu reaktor total yang dibutuhkan untuk mencapai konversi derajat ofsubstrate diberikan secara signifikan lebih kecil dari dua CSTR dalam seri jika hanya satu CSTR digunakan. Dengan kata lain, volume reaktor total yang dibutuhkan berkurang dari dua tangki kecil di seri dibandingkan dengan tangki tunggal yang besar. Biasanya hanya dua sampai empat reaktor dalam seri dibenarkan sebagai manfaat yang terkait dengan menambahkan tahap berturut secara signifikan . 13.5.7 Chemostat dengan Recycle Konsentrasi sel dalam chemostat tunggal dapat ditingkatkan dengan daur ulang biomassa dari belakang aliran produk ke reaktor. Dengan hadir katalis dari vesel, tingkat yang lebih tinggi pemanfaatan substrat dan pembentukan produk dapat
dicapai. Dengan daur ulang sel, tingkat pengenceran penting untuk meningkat memungkinkan fleksibilitas operasi yang lebih besar. Ada beberapa cara di mana selsel dapat didaur ulang dengan fermentasi proses. Biomass feedback eksternal dapat diilustrasikan Gambar 13.29. pada skema ini, pemisah sel seperti centrifugal tangki digunakan untuk berkonsentrasi biomassa meninggalkan reaktor. Sebagian dari konsentrat secara terus-menerus didaur ulang kembali ke CSTR dengan rF laju alir dan konsentrasi sel xr. Sistem tersebut dapat dioperasikan di bawah kondisi mapan kondisi dan digunakan secara ekstensif dalam pengolahan limbah biologis. Cara lain untuk mencapai umpan balik biomassa adalah pe
Cksion culture atau biomass
feedback internal. Skema operasi sering digunakan untuk kultur sel mamalia dan diilustrasikan pada Gambar 13.30. Penipisan nutrisi dan akumulasi produk penghambatan membatasi kepadatan bets sel untuk jalur sel hewan banyak sekitar 106 sel ml-1. Kepadatan sel dai produktivitas volumetrik budaya ini dapat ditingkatkan dengan mempertahankan biomassa dalam reaktor sementara media segar terus ditambahkan dan menghabiskan kaldu . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.30, sel-sel dalam reaktor perfusi secara fisik disimpan dengan alat mekanis seperti filter. Throughput yang cair dicapai tanpa penghapusan terus menerus atau pengenceran dari sel-sel sehingga konsentrasi lebih dari 10 7 sel ml-1 dapat diperoleh. Masalah umum yang terkait dengan sistem perfusi yang menghalangi atau menyilaukan dari filter. Dengan sel-sel tumbuh, jika semua biomassa dikembalikan atau disimpan dalam reaktor, konsentrasi sel akan meningkat seiring dengan waktu dan kondisi mapan tidak akan tercapai. Oleh karena itu, untuk kondisi mapan operasi, beberapa proporsi biomassa harus dihapus dari sistem. Chemostat reaktor dengan sel daur ulang dapat dianalisis dengan menggunakan massa-balance teknik yang sama diterapkan dalam Pasal 13.5.4 . Hasil Khas untuk konsentrasi biomassa dan produktivitas biomassa dengan dan tanpa sel daur ulang yang ditunjukkan pada Gambar 13,31. Dengan umpan balik sel, karena sel-sel daur ulang merupakan sumber
tambahan dari biomassa dalam reaktor, terjadi pada tingkat pengenceran lebih besar dari laju pertumbuhan spesifik maksimum. Jika adalah rasio daur ulang:
(13.77) dan fl adalah faktor konsentrasi biomassa:
(13.78) tingkat pengenceran kritis dengan siklus sel meningkat dengan faktor 1 / (1 + α-αβ) relatif terhadap chemostat sederhana. Gambar 13.31 juga menunjukkan bahwa produktivitas biomassa yang lebih besar dalam sistem daur ulang oleh faktor yang sama. 1 3. 5. 8 Operasi Kontinu dari Plug-Flow Reactor Plug-aliran operasi adalah sebuah alternatif untuk operasi campuran untuk reaktor kontinyu. Tidak ada pencampuran terjadi pada ideal plug-aliran reaktor, cairan memasuki reaktor melewati sebagai 'plug' diskrit dan tidak berinteraksi dengan tenaga elemen fluida. Hal ini dicapai pada tingkat aliran tinggi yang meminimalkan back
mixing dan variasi dalam kecepatan cair. Aliran Plug paling mudah dicapai dalam kolom atau reaktor tubular seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.32. Plug-flow reaktor dapat dioperasikan dalam up flow.
Gambar 13.31 Steady-state biomassa konsentrasi volumetrik x dan biomassa produktivitas Qx untuk chemostat dengan dan tanpa sel daur ulang. Kurva dihitung dengan nilai parameter berikut :/ ~ max - 0,5 h-1, Ks _ 0,01 g l-1, YXS = 0,5 gg - l, si = 2 g 1-1, cz = 0,5, / 3 = 2,0.
dalam beberapa kasus, horizontal. Plug-reaktor aliran tubular dikenal dengan singkatan PFTR. Cair dalam PFTR mengalir pada kecepatan konstan, sehingga semua bagian dari cairan memiliki waktu tinggal identik dalam reaktor. Sebagai reaksi dalam hasil vesel, konsentrasi gradien substrat dan produk berkembang dalam arah aliran. Pada akhir pakan-dari PFTR, konsentrasi substrat akan tinggi dan konsentrasi produk rendah karena campuran reaksi baru saja memasuki vesel, pada ujung tabung konsentrasi substrat akan rendah dan tingkat produk yang tinggi. Pertimbangkan pengoperasian PFTR ditunjukkan pada Gambar 13.32. Laju aliran volumetrik cairan melalui vesel adalah F, aliran umpan mengandung substrat pada konsentrasi S i. Pada outlet reaktor, konsentrasi substrat adalah Sf. Konsentrasi keluar dapat dikaitkan dengan kondisi inlet dan reaktor waktu tinggal menggunakan massa-balance teknik. Pertama, mari kita bahas plug-aliran operasi untuk reaksi enzim. 13.5.8.1 reaksi enzim Untuk mengembangkan persamaan reaktor enzim plug-aliran, kita harus mempertimbangkan dari reaktor bagian kecil ke panjang Az seperti ditunjukkan pada Gambar 13.32. Bagian ini terletak pada jarak z dari titik pakan. Mari kita melakukan keseimbangan kondisi mapan massa substrat Persamaan. (6.5).
Dalam Eq. (6.5), Mi adalah laju aliran massa substrat memasuki sistem, sehingga Mi = Fs|z mana FIS laju aliran volumetrik melalui reaktor dan S| Z adalah konsentrasi substrat di z. Demikian pula, M0, aliran massa tingkat substrat meninggalkan bagian, adalah FS|z + Az. Substrat tidak dihasilkan dalam reaksi, sehingga RG = 0. Tingkat konsumsi ofsubstrate RC adalah sama dengan tingkat volumetrik v reaksi dikalikan dengan volume bagian, v diberikan oleh Eq. (11.31), volume bagian adalah sama dengan A dimana A adalah luas penampang reaktor. Pada steady state, sisi kiri dari Pers. (6.5) adalah nol. Oleh karena itu, persamaan massa-keseimbangan adalah:
(13.79) di mana Vmax adalah tingkat maksimum reaksi enzim dan K m adalah Michaelis konstan. Dengan membaginya pada ∆z dan menata ulang:
(13.80) Laju aliran volumetrik F dibagi dengan luas reaktor crosssectional A sama dengan kecepatan superfisial melalui kolom, u. Oleh karena itu:
(13.81) Untuk Fand A konstan, u juga konstan. Persamaan. (13.81) berlaku untuk setiap bagian dalam reaktor ketebalan ∆z Untuk itu akan berlaku pada setiap titik dalam reaktor, kita harus mengambil limit Az 0:
(13.82) dan menerapkan definisi diferensial dari Persamaan. (D. 13) dalam Lampiran D:
(13.83)
Persamaan. (13,83) adalah persamaan diferensial untuk gradien konsentrasi substrat melalui panjang reaktor plug-aliran. Dengan asumsi u dan parameter kinetik yang konstan, Eq. (13,83) siap untuk integrasi. Memisahkan variabel dan mengintegrasikan dengan kondisi batas s = si di z = 0 memberikan ekspresi untuk L panjang reaktor yang diperlukan untuk mencapai konsentrasi outlet sf:
(13.84) Waktu tinggal τ untuk reaktor terus menerus didefinisikan dalam persamaan. (13.51). Jika kita membagi V dan F pada Persamaan. (13.51) oleh A, kita dapat mengekspresikan waktu tinggal untuk plug-aliran reaktor dalam hal parameter L dan u"
(13.85) Oleh karena itu, Eq. (13.84) dapat ditulis sebagai:
(13.86) Persamaan (13.84) dan (13.86) memungkinkan kita untuk menghitung panjang reaktor dan waktu tinggal yang diperlukan untuk mencapai konversi substrat dari si konsentrasi sf di u laju alir. Bentuk Pers. (13.86) adalah identik dengan Persamaan. (13.10) untuk reaktor batch. Seperti dalam reaktor batch dimana substrat dan produk konsentrasi bervariasi terus menerus selama periode reaksi, konsentrasi di plug-aliran reaktor berubah terus bergerak sebagai bahan dari inlet ke outlet. Dengan demikian,
plug-aliran operasi dapat dilihat sebagai cara simulasi kultur batch dalam sistem aliran kontinu. Plug-aliran operasi umumnya tidak praktis untuk konversi enzim kecuali enzim amobil dan disimpan di dalam kapal. Untuk bergerak-enzim reaksi dipengaruhi oleh difusi, Eq. (13,83) harus dimodifikasi untuk memperhitungkan efek transfer massa:
(13.87) di mana ηT adalah faktor efektivitas keseluruhan mewakili internal dan eksternal transfer massa keterbatasan (lihat Bagian 12.5), s adalah konsentrasi substrat massal, dan Vmax dan Km adalah parameter kinetik intrinsik. Karena ηT adalah fungsi dari s, kita tidak dapat mengintegrasikan Persamaan. (13.87) langsung sebagai s bervariasi dengan z di plug-aliran reaktor. Plug-flow operasi dengan enzim amobil adalah yang paling mungkin didekati packed-bed reaktor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.8. Packing dalam kolom dapat menyebabkan backmixing substansial dan dispersi aksial cairan, sehingga mengganggu aliran plug yang ideal. Namun demikian, penerapan persamaan yang dikembangkan dalam bagian ini dapat memberikan hasil yang memuaskan untuk desain reaktor fixed-bed immobilised enzyme.
13.5.8.2 Cell culture Analisis plug-aliran reaktor untuk kultur sel mengikuti prosedur yang sama seperti untuk reaksi enzim. Jika laju pertumbuhan sel tertentu adalah konstan dan sama dengan jumalah seluruh reaktor dan kematian sel dapat diabaikan, persamaan untuk waktu reaktor yang analog dengan yang diturunkan dalam Bagian 13.5.1.2 untuk fermentasi batch, misalnya:
(13.88) di mana τ adalah waktu tinggal reaktor yang ditetapkan dalam Pers. (13.51), xi adalah konsentrasi biomassa pada inlet dan xf adalah konsentrasi biomassa di outlet bentuk Pers. (13,88) adalah identik dengan persamaan.. (13.20) untuk reaksi bets Plug-aliran operasi tidak cocok untuk budidaya sel ditangguhkan kecuali biomassa didaur ulang atau ada inokulasi terus menerus dari kapal Plug-aliran operasi dengan sel daur ulang digunakan untuk skala besar pengolahan air limbah, namun aplikasi terbatas. Plugflow reaktor yang cocok untuk amobil-sel reaksi dengan katalis dikemas ke dalam unggun tetap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.8. Meski begitu, masalah operasi seperti yang disebutkan dalam Bagian 13.2.5 berarti bahwa PFTRs jarang digunakan untuk fermentasi industri . 1 3. 5. 9 Perbandingan antara mode utama operasi reaktor Kinerja relatif batch, CSTR dan reaktor PFTR dapat dipertimbangkan dari sudut pandang teoritis dalam hal konversi substrat dan konsentrasi produk yang dihasilkan dari ukuran yang sama. Karena volume reaktor total tidak sepenuhnya dimanfaatkan setiap saat selama batch operasi, sulit untuk memasukkan modus operasi dalam perbandingan umum. Sebagaimana ditunjukkan dalam Bagian 13.5.8, karakteristik kinetik dari PFTRs sama dengan reaktor batch, waktu tinggal yang diperlukan untuk konversi dalam reaktor plug-aliran karena itu sama seperti dalam wadah campuran dioperasikan dalam batch. Hal ini juga dapat ditampilkan secara teoritis bahwa jumlah tahapan dalam meningkat kaskade CSTR, karakteristik konversi dari seluruh Sistem mendekati mereka dari ideal plug-aliran atau reaktor batch campuran. Hal ini ditunjukkan diagram pada Gambar 13.33. Kurva putus-putus mulus merupakan penurunan progresif dalam konsentrasi substrat dengan waktu yang dihabiskan dalam PFTR atau reaktor batch, konsentrasi berkurang dari si di inlet ke sf di outlet. Dalam CSTR baik dicampur tunggal yang dioperasikan dengan inlet yang
sama dan konsentrasi outlet, karena kondisi di vesel seragam ada langkah perubahan dalam konsentrasi substrat secepat pakan memasuki reaktor. Dalam riam CSTRs, konsentrasi seragam dalam reaktor masing-masing tapi ada drop-langkah bijak dalam konsentrasi antara setiap tahap. Seperti diilustrasikan dalam Gambar 13.33, semakin besar jumlah unit dalam kaskade CSTR, semakin dekat profil konsentrasi mendekati plug-aliran atau perilaku batch. Manfaat yang terkait dengan desain reaktor tertentu atau modus operasi tergantung pada karakteristik kinetik reaksi. Untuk reaksi orde nol tidak ada perbedaan antara batch tunggal, CSTR dan PFTR reaktor dalam hal tingkat konversi keseluruhan. Namun, untuk sebagian besar reaksi termasuk orde pertama dan Michaelis-Menten konversi, laju reaksi berkurang karena konsentrasi berkurang substrat. Laju reaksi karena itu tinggi pada awal kultur batch atau di pintu masuk ke reaktor plug-aliran karena tingkat substrat yang terbesar. Selanjutnya, kecepatan reaksi jatuh secara bertahap sebagai substrat dikonsumsi. Sebaliknya, substrat memasuki CSTR yang segera diencerkan ke final atau outlet steady state Oleh karena itu, untuk reaksi orde pertama dan Michaelis-Menten, CSTRs mencapai konversi substrat rendah dan konsentrasi produk yang lebih rendah dibandingkan reaktor batch atau PFTRs dari volume yang sama. Dalam prakteknya, batch processing yang banyak disukai untuk PFTR sistem karena masalah operasi yang tercantum dalam Bagian 13.2.5. Namun, seperti dibahas dalam Bagian 13.5.2, total waktu untuk operasi batch tergantung pada durasi downtime antara batch serta pada waktu konversi yang sebenarnya. Karena panjang downtime bervariasi dari sistem ke sistem, kita tidak bisa menjelaskan di sini secara umum. Downtime antara batch harus diminimalkan sebisa mungkin untuk mempertahankan tingkat tinggi produksi secara keseluruhan. Perbandingan antara reaktor menghasilkan hasil yang berbeda jika reaksi tersebut autocatalytic. Catalyst diproduksi oleh reaksi dalam proses fermentasi, sehingga laju volumetrik reaksi meningkat sebagai konversi berlangsung karena jumlah katalis membangun. Laju reaksi volumetrik terus meningkat sampai
konsentrasi substrat menjadi rendah, maka menurun karena deplesi substrat. Pada awal kultur batch, laju konversi substrat umumnya rendah karena sel-sel relatif sedikit yang hadir, dibutuhkan beberapa waktu bagi sel untuk menumpuk dan tingkat untuk menjemput. Namun, dalam operasi CSTR, substrat memasuki kapal tersebut segera terkena konsentrasi biomassa relatif tinggi sehingga tingkat konversi juga tinggi. Tingkat konversi dalam chemostats dioperasikan closeto tingkat pengenceran optimal untuk produktivitas biomassa (lihat Bagian 13.5.4.2) sering 10-20 kali lebih besar dari dalam reaktor PFTR atau batch. Ini keuntungan Tingkat menghilang jika kondisi mapan substrat konsentrasi CSTR adalah sangat kecil sehingga, meskipun tingkat biomassa yang lebih tinggi saat ini, tingkat konversi lebih rendah dari rata-rata dalam perangkat batch atau PFTR. Untuk fermentasi yang paling Namun, CSTRs menawarkan keuntungan teoritis signifikan atas modus lain dari operasi reaktor. Meskipun manfaat produktivitas yang terkait dengan CSTRs, mayoritas dari fermentasi komersial dilakukan secara batch. Alasan berbohong dengan keuntungan praktis terkait dengan budaya batch. Proses batch memiliki risiko lebih rendah kontaminasi dari aliran kontinu reaktor, peralatan dan kontrol kegagalan selama operasi jangka panjang terus menerus juga potensi masalah. Fermentasi sinambung layak hanya jika sel-sel secara genetik stabil, jika strain dikembangkan kembali ke mutan lebih cepat-tumbuh budaya dapat menjadi didominasi dari waktu ke waktu oleh sel reversi. Sebaliknya, baru-diproduksi inokulum yang digunakan dalam fermentasi batch yang memberikan kontrol lebih dekat atas karakteristik genetik dari culture.
Kultur kontinyu tidak cocok untuk produksi metabolit biasanya terbentuk di dekat fase diam ketika tingkat pertumbuhan budaya rendah, seperti disebutkan di atas, produktivitas dalam reaktor batch cenderung lebih besar daripada di CSTR di bawah kondisi ini. Fermentasi kontinyu harus dioperasikan untuk jangka panjang untuk menuai keuntungan penuh dari produktivitas yang tinggi. Produksi bisa jauh lebih fleksibel dengan batch processing, misalnya, produk yang berbeda masing-masing dengan volume kecil dapat dibuat dalam batch yang berbeda. 13.5.10 Evaluasi Parameter Kinetik dan Produktivitas di Culture Chemostat Dalam chemostat mapan dengan pakan steril dan kematian sel diabaikan, laju pertumbuhan spesifik µ sama dengan tingkat pengenceran hubungan D. Hal ini berguna untuk menentukan parameter kinetik dan hasil dalam kultur sel. Jika pertumbuhan dapat menggunakan pemodelan kinetika Monod, untuk culture chemostat, Eq. (11.60) menjadi:
(13.89) dimana µmax adalah laju pertumbuhan spesifik maksimum, KS adalah substrat konstan dan s adalah steady-state substrat konsentrasi dalam reaktor. Persamaan. (13.89) adalah analog matematis ke Michaelis-Menten expressioja untuk kinetika enzim. Jika s adalah diukur pada tingkat pengenceran berbagai teknik yang dijelaskan dalam Bagian 11.4 untuk menentukan Vmax dan Km dapat diterapkan untuk evaluasi µmax dan Ks. Penataan Eq. (13.89) memberikan persamaan linear berikut yang dapat digunakan untuk Lineweaver-Burk, Eadie-Hofstee dan plot Langmuir, masing-masing: (13.90)
(13.91)
(13.92) Sebagai contoh, menurut Persamaan. (13.90), µmax dan Ks dapat ditentukan dari lereng dan mencegat sebidang 1/D vs 1/s. Komentar yang dibuat di Bagian 11.4.211.4.4 distorsi kesalahan eksperimental berlaku juga untuk Persamaan (13.90) (13,92). Operasi Chemostat juga nyaman untuk menentukan hasil yang benar dan koefisien pemeliharaan kultur sel. Sebuah ekspresi yang berkaitan parameter ini dengan laju pertumbuhan spesifik diberikan oleh Eq. (11.81) Dalam kultur chemostat dengan µ = D, Eq. (11.81) menjadi:
(13.93)
mana Y'xs adalah hasil biomassa diamati dari substrat, YXS adalah hasil biomassa benar dari substrat dan ms adalah koefisien pemeliharaan. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.34, sebidang 1/Yxs versus 1/D memberikan garis lurus dengan kemiringan ms dan mencegat l/YXS. Dalam chemostat dengan pakan steril, hasil biomassa diamati dari substrat Y’XSdiperoleh sebagai berikut:
(13.94) di mana x dan s adalah kondisi mapan sel dan konsentrasi substrat, masing-masing, dan si adalah konsentrasi substrat inlet.
