Определение степени смешивания микроорганизмов с различным временем пребывания в поточных биореакторах

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 в системе (аппарате, установке). Предложено осуществлять указанную оценку путём расчёта долей микроорганизмов, отличающихся между собой по времени пребывания в любом заданном объёме аппарата. Известно, что при сосуществовании в единичном объёме производственного субстрата микроорганизмов со значительной разницей в возрасте, коррелирующей с временем пребывания их в реакторе, биохимический процесс направленного массообмена идёт неэффективно. В связи с тем, что метаболические процессы у микроорганизмов 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 микроорганизмов с различным временем пребывания в интересующем объёме потока биореагентов. Получаемые расчетные данные важны для функционально-структурного моделирования двухфазного потока реагентов, определяющими из которых в биотехнологических процессах являются живые клетки микроорганизмов. Однако искомого решения для оценки состояния системы до настоящего времени не имеется. В данной работе предложен теоретико-вероятностный подход к построению математической модели, позволяющей рассчитать долю сосуществующих микроорганизмов 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 микроорганизмов в аппаратах. Таким образом, полученные результаты позволяют оценить состояние гидродинамики потока системы «производственный субстрат - микроорганизмы» и на этом основании прогнозировать эффективность биохимических процессов, реализуемых в поточных аппаратах.