научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ ЛАКТАЗОЙ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ ЛАКТАЗОЙ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 1, с. 62-73

УДК 66.098

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ ЛАКТАЗОЙ

© 2009 г. О. А. Олафадехан, Д. С. Арабике, А. М. Адеено

Университет г. Лагос, Нигерия

olafadehan@yahoo.com Поступила в редакцию 01.01.2007 г.

Предложена математическая модель процесса гидролиза лактозы с использованием иммобилизованного фермента в трубчатом реакторе. Модель учитывает продольное и радиальное перемешивание реагентов, химическую реакцию и внешнедиффузионное сопротивление переносу массы, но не учитывает внутридиффузионное сопротивление. Проведено упрощение полной модели до модели идеального вытеснения для гидролиза лактозы лактазой в неподвижном слое. Полученные уравнения модели идеального вытеснения решены методом Рунге-Кутта-Гилла с использованием различных видов кинетики процесса гидролиза лактозы. Адекватность модели проверяли по экспериментальным данным, полученным на лабораторной насадочной колонне, в которой бета-галактозидаза Kluyveromyces fragШs была иммобилизована на сферических гранулах хитозана. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными по степени конверсии на выходе из реактора показало, что модель идеального вытеснения, включающая кинетику Михаэлиса-Ментена с ингибиро-ванием конкурирующего продукта (галактозы), пригодна для интерпретации экспериментальных данных и моделирования процесса гидролиза лактозы в неподвижном слое, когда сопротивление переносу массы снижается в 34.5 раза.

ВВЕДЕНИЕ

Ферментативный гидролиз лактозы является важным биотехнологическим процессом в пищевой промышленности. Гидролиз лактозы может быть выполнен с использованием иммобилизованного фермента благодаря его стабильности в широких диапазонах pH и температуры, возможности быстро остановить реакцию путем удаления фермента из реакционного раствора, низкой стоимости, легкости разделения, высокой чистоты и возможности повторного использования. Гидролиз лактозы с использованием свободного фермента не используется, поскольку этот процесс более дорогой, а конечные продукты могут быть загрязнены инородным протеином. Кроме того, иммобилизованный фермент может использоваться в течение более длинного периода времени, чем раствор фермента, что определяет его использование в непрерывных процессах.

Коммерческие ферменты, используемые для гидролиза лактозы - это бета-галактозидазы разного происхождения [1-3]. Было проведено много исследований с бета-галактозидазами, полученными из Escherichia coli, хотя их использование непригодно для продуктов, предназначенных для потребления человеком [4-8]. Дрожжи и грибковые ферменты представляют наибольший коммерческий интерес, поскольку они удовлетворяют спецификациям, рекомендованным для пищевых ферментов. Дрож-

жевые ферменты типа Kluyveromyces fragilis и Kluyveromyces lactis обычно используются для продуктов с нейтральными значениями pH [9], например молока и сладкой сыворотки. Грибковые ферменты типа Aspergillus Нигера и Aspergillus oryzae обычно используются для гидролиза лактозы из продуктов с кислотными значениями pH, например сыворотки.

Тип реактора, используемый почти исключительно в коммерческих применениях для гидролиза лактозы - это реактор со слоем насадки, поскольку он легко автоматизируется, имеет высокую эффективность, улучшает конверсию субстрата и требует небольшого текущего технического обслуживания. Кроме того, он удобнее, чем проточный реактор с мешалкой, особенно при ингибировании конкурирующего продукта [10].

Большое количество публикаций по насадоч-ным реакторам с иммобилизованным ферментом описывают различные математические модели, которые учитывают уравнения массопереноса в соответствии с рабочими условиями, такими как гидродинамические условия, внешне-и/или внутри-диффузионное сопротивление переносу массы и кинетика реакции. Эти модели используют только простое уравнение Михаэлиса-Ментена без учета ингибирования продуктов в кинетике реакции [11], без сравнительного анализа с другими механизмами реакции.

Цель настоящей работы - разработка полной математической модели процесса гидролиза лактозы лактазой в реакторе с неподвижным слоем катализатора и необходимого численного метода решения, которое позволит проводить анализ процесса в условиях идеального вытеснения.

кинетика Михаэлиса-Ментена с ингибирова-нием конкурирующего продукта:

(-г,) =

V

(6)

+ с,

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

В работе [12] было получено уравнение неразрывности для изотермической реакции, проходящей в реакторе с неподвижным слоем, который содержит иммобилизованный фермент:

дс дг

+ в

= в

д2С дС

—и> -с+

'д2с

дг

дг

1 дс

г дг

(1)

- (-г,).

При этом были сделаны следующие допущения:

- продольная и радиальная диффузия выражаются законом Фика;

- активность фермента равномерна в частице и однородна по реактору (т.е. термическое денатурирование фермента незначительно);

- трубка реактора имеет достаточно частиц в единице объема для адекватного представления континуума;

- используются очень мелкие частицы, чтобы исключить внутреннюю диффузию;

- способ иммобилизации лучше всего представляется физической адсорбцией на носителе.

Обычно радиальным перемешиванием можно пренебречь по сравнению с осевым, когда отношение диаметра колонны к ее длине очень мало (как в настоящей работе). Поэтому для изотермического реактора с насадкой, работающего в стационарном режиме и условиях идеального вытеснения, в котором продольное и радиальное перемешивание незначительно, уравнение (1) преобразуется к виду

дС,

и, ^ + (-г,) = О

(2)

со следующим начальным условием:

С, =С,0 аг г = 0.

Скорости реакции, учитывающие различные виды кинетики гидролиза лактозы, имеют следующий вид:

нулевой порядок: (-г,) = к0, (3)

первый порядок: (-г,) = к1С,ь (4)

кинетика Михаэлиса-Ментена

без ингибирования: (-г,) =

У шах С,1 (5)

*М + С,1

Такой вид кинетики Михаэлиса-Ментена с инги-бированием конкурирующего продукта (галактозы) дан в работе [13]. Однако концентрация продукта СР стехиометрически связана с концентрацией субстрата С, и изменяется с продольным расстоянием в реакторе, т.е. СР = С3о - С,. Потребление субстрата на поверхности раздела должно компенсироваться переносом из объема жидкости. Предполагается, что никакие эффекты распределения не существуют [14], поскольку субстрат не имеет результирующего заряда, чтобы модифицировать распределение между жидкостью и твердым телом на поверхности раздела. Следовательно, мы имеем

М = кЬа(СБ - С3)

(7)

где кь - коэффициент массопереноса, а = 6(1 - еь)/ёР площадь поверхности частиц на единицу объема насадки.

Комбинируя независимо уравнения (3)-(6) с (7), получаем

для кинетики нулевого порядка у = 1 -

ко

кьаС,

, (8)

для кинетики первого порядка у

кга

к1 + кьа

, (9)

для кинетики Михаэлиса-Ментена без ингибирования

У

с, - ф - Км + 7оФ+*м-С7+4*мС,

2 С,

(10)

для кинетики Михаэлиса-Ментена с ингибиро-ванием конкурирующего продукта

У =

а1 С, - а2 + аС"1 (11)

2 С,

где

С '

I Vшах I »

У = Т^' ф = 1—, ф = 1—,

С, кга кга

а1 = * + 1' а2 = Ф' + Км (К + 1],

С

аз = *м1К°+1|' а4 =

К

М

К,

Подставляя уравнение (7) в (2), имеем дCs + кф (= 0.

где 81 = кф^и: - модифицированное число Стэнто-на, безразмерный коэффициент массопереноса. Следовательно, основное уравнение (13) для модели идеального вытеснения, которое учитывает сопротивление массопереносу, должно быть решено с Выбирается набор безразмерных переменных, уравнениями (8)-(11) независимо для каждого типа

дг

и

(12)

которые имеют значения, лежащие между 0 и 1. Эти переменные определяются как

с5 = с и 2 = г.

с

Бв

При замене переменных в уравнении (12), имеем ¿С*

йХ

+ 81 Сб (1- у) = 0.

(13)

кинетики, чтобы рассмотреть изменение у. Полученные уравнения имеют следующий вид:

йСБ

для кинетики нулевого порядка —--+ Ф1 = 0, (14)

йх

йСБ -

длякинетики первого порядка —— + Ф2Сб = 0, (15)

для кинетики Михаэлиса-Ментена без ингиби-рования

йСБ йХ

+ 81

ч 2

CsвCs + ф + Км - ^(ф + Км - Сб) + 4КмС8оС,

2 С

= 0,

(16)

для кинетики Михаэлиса-Ментена с ингибированием конкурирующего продукта

йСБ йХ

+ 81

CsвCs(2 - а) + «2^(«2 - «1 CsвC) +4Сб^Саз - а4Сб^С)

= 0,

(17)

81^ 81к где Ф1 = -—Ф2 = 1

kLaCSв

к 1 + кф

для кинетики нулевого порядка

йСБ

йХ

+ Фз = 0,

(18)

йСБ

С+_ФС_ = 0

йХ Ф6 + Сб

(20)

для кинетики Михаэлиса-Ментена с ингибированием конкурирующего продукта

С + Ф7 Сб = 0 йХ ф8 + ф9 сБ

(21)

где

Ф=

и С в,

Ф4 =

Lk1

и;

_ Lv тах

Ф5 = иТс~'

и fCSв

Для случая, когда пренебрегают внешнедиффу-зионным сопротивлением переносу массы, уравнение модели идеального вытеснения для каждого типа кинетики, имеет следующий вид:

К

Фб = ^; Ф7 =

L V т

с

и с б:

Ф8 = Км

— + — CSв К

Ф9 = 1 -

К

м

к/

для кинетики первого порядка —— + Ф4 С б = 0, (19)

для кинетики Михаэлиса-Ментена без ингиби-рования

Поэтому концентрации субстрата и продукта Ср = СЛ - СБ) = СБаХБ изменяются с продольным расстоянием в реакторе для модели идеального вытеснения согласно кинетическим уравнениям. Следовательно, численные решения для уравнений (14)-(21) ищутся независимо при начальном условии: СБ = 1 при Х = 0. Математическая модель для условий идеального вытеснения - это обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка, которое может быть проинтегрировано с большим или меньшим трудом в зависимости от кинетики рассматриваемой реакции. Однако уравнения (14)-(21) интегрируют численно модифицированным методом Рунге-Кутта четвертого порядка, известным как метод Рунге-Кутта-Гилла. Этот метод обладает высокой точностью и понижает потребность в памяти по сравнению с предыдущим методом. Его алгоритм дается ниже [15]:

Таблица 1. Физические параметры системы в зависимости от и^ при разных начальных концентрациях субстрата

и^ см/с кь, см/с С,0 = 0.073 моль/дм3, р^, = 1.025 г/см3 С,0 = 0.146 моль/дм3, Рь, = 1.05 г/см3 С,0 = 0.219 моль/дм3, р1г, = 1.075 г/см3 С,0 = 0.292 моль/дм3, р^ = 1.10 г/см3

Яе Бс Яе Бс Яе Бс Яе Бс

0.034 0.0396

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком