и поглощения кислорода с сульфитом (сульфитный метод) или с глюкозой при участии глюкозооксидазы (глюкозооксидазный метод) в отсутствие биообъекта, часто дает ошибочные результаты. Учет влияния растущей популяции клеток на коэффициент массопередачи 02, необходимый для корректных инженерно-технологических расчетов, достигается с помощью прямых методов регистрации динамики поступления и расхода кислорода, в первую очередь, с использованием кислородных датчиков (В. Н. Тарасов, 1984; М. Sobotka, 1984).

Теплообмен представляет собой также важную составную часть процессов, протекающих в биореакторе, поскольку жизнедеятельность и метаболическая активность биообъекта в существенной мере зависят от температуры. Узкий диапазон температур, оптимальный для биотехнологического процесса, диктуется: 1) резким спадом активности ферментов по мере снижения температуры и 2) необратимой инактивацией (денатурацией) биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) при повышении температуры до определенного уровня.

Температурный оптимум варьирует от организма к организму, от процесса к процессу. Большинство освоенных биотехнологических процессов протекает при температурах 30—50°С (мезо-фильные условия). Это имеет свои преимущества, поскольку для поддержания оптимума температуры лишь в редких случаях приходится прибегать к специальному подогреву. Серьезной проблемой, однако, является удаление избыточной теплоты, выделяемой в процессе жизнедеятельности культивируемых клеток, поэтому биореактор должен иметь систему теплообмена.

Расчет и оптимизация системы теплообмена усложняется наличием в биореакторе большого количества контактирующих поверхностей. Теплообмен происходит между клеткой и питательной средой, между средой и стенкой аппарата, между стенкой и охлаждающей жидкостью рубашки биореак-щра, между этой жидкостью и внешней стенкой рубашки, между рубашкой и наружной средой. Система теплообмена должна чутко реагировать на изменения теплопродукции, происходящие в ходе культивирования биообъекта, поддерживать температуру на постоянном уровне (режим термостатирования) или контролировать ее изменения по заданной программе. Например, на первых этапах роста культуры биореактор прогревают, а далее встает задача отвода избыточной теплоты, выделяемой в процессах жизнедеятельности.

Теплообмен описывается уравнением, связывающим теплоту Q, переданную в единицу времени от одной фазы к другой (в рассматриваемом случае — между внутренним объемом реактора и окружающей средой или между этим объемом и системой теплообмена), с площадью поверхности теплообмена А и межфазной разностью температур Д7\-

Q^UAAT. (1)

Коэффициент теплопередачи U соответствует количеству теплоты, которая передается в единицу времени через единичную поверхность при разности температур в 1°С.

Из уравнения следует, что повысить скорость передачи теплоты между внутренним объемом и системой теплообмена, увеличить эффективность работы этой системы можно путем: 1) повышения коэффициента теплопередачи; 2) увеличения поверхности теплообмена; 3) увеличения разности температур. Первые два пути связаны с инженерно-конструкторскими разработками. Коррозия стенок биореактора или их загрязнение снижают коэффициент теплопередачи. Отсюда вытекает необходимость изготовления аппарата из неподверженных коррозии материалов и его поддержания в чистоте (К.Г.Федосеев, 1977; D. N. Bull, 1983). Что касается разности температур между реактором и теплооб-менными устройствами, то важный путь ее повышения состоит в использовании термофильных микроорганизмов и их ферментов (см. гл. 1, § 1).

Серьезной проблемой для аэрируемых процессов в биотехнологии является вспенивание культуральной среды — образование на ее поверхности слоя из пузырей. Пенообразование связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (ПАВ), к числу которых относятся продукты распада жиров — мыла, а также белки. Белковые вещества содержатся в среде как питательные субстраты (белки соевой, кукурузной муки и т. д.) или представляют собой продукты жизнедеятельности организмов. Как правило, ПАВ включают как полярные (или ионные), так и неполярные группировки. Заряженные группы имеют сродство к воде и локализуются в водной фазе, а нейтральные выталкиваются из воды в воздушную фазу. Это придает ПАВ ориентацию на границе раздела фаз вода/воздух. Встраиваясь в стенки газовых пузырей, ПАВ значительно удлиняют время их жизни. Пенный слой поверх среды культивирования в биореакторе имеет двоякое значение. Пена способствует росту многих аэробных микроорганизмов. В пенном слое — «кислородном коктейле» — наибольший прирост дают дрожжи. Внедряясь в границу раздела вода/роздух, пенообразующие ПАВ стимулируют массопередачу между этими фазами, снижая затраты на перемешивание и аэрацию. Нежелательные последствия вызывает избыточное пенообразование. Оно ведет к сокращению полезного объема биореактора, создает угрозу заражения культуры посторонней микрофлорой. Поэтому необходимой составной частью реакто