Периодическое культивирование микроорганизмов. моделирование аэротенков-вытеснителей

1. Цель работы. Освоить технику периодического культивирования и моделирования в лабораторных условиях аэротенков-вытеснителей. Научиться экспериментально определять факторы, лимитирующие рост микроорганизмов активного ила и рассчитывать основные параметры роста.

2. Основные положения.При периодическом контактном культивировании микроорганизмы, введенные в начальный момент времени в питательную среду, растут в течение определенного периода без добавок субстрата и отвода культуральной жидкости. В силу потребления субстрата и выделения метаболитов, условия среды, в которой находятся микробные клетки, непрерывно изменяются. Соответственно, изменяется физиологическое состояние микроорганизмов, в частности, такие параметры культуры, как скорость роста, экономический коэффициент, энергетический коэффициент и другие. Может также происходить смена лимитирующих рост факторов.

Выделяют простое и отъемно-доливное периодическое культивирование. Простое культивирование осуществляется в течение одного периода. При отъемно-доливном культивировании процесс роста повторяется многократно путем «отъема» из реактора отработанной питательной среды и «долива» свежей питательной среды.

Периодическое культивирование не требует сложной техники для его реализации как в промышленных, так и в лабораторных условиях. На практике широко используется отъемно-доливное периодическое культивирование. В этом процессе условия среды и состояние микроорганизмов меняются также, как по длине реактора идеального вытеснения при непрерывном культивировании с возвратом биомассы. В частности, отъемно-доливное культивирование активного ила используется для моделирования биологической очистки в аэротенках-вытеснителях.

Отъемно-доливное культивирование активного ила осуществляется следующим образом. К сточной воде добавляют активный ил, смесь помещают в реактор (лабораторный аэротенк периодического действия) и включают аэрацию. После заданного периода времени аэрацию отключают, хлопья активного ила оседают. Надосадочную жидкость (очищенную сточную воду) сливают, а в реактор заливают такой же объем исходной сточной воды. Вновь включают аэрацию и цикл периодического культивирования повторяется. Чтобы активный ил адаптировался к выбранному режиму (режим задается концентрацией субстрата, периодом аэрации и др. параметрами), требуется провести около 10 (иногда больше) циклов отъемно-доливного культивирования.

Параметры периодической культуры практически постоянны только в течение времени, значительно меньшего периода культивирования. Для измерения параметров роста за небольшой интервал времени культивирования удобным методом является определение скорости потребления кислорода с последующим расчетом по соотношениям:

; (6.1)

; (6.2)

; (6.3)

; ; (6.4)

; (6.5)

; (6.6)

; (6.7)

; , (6.8)

где	– скорость эндогенного дыхания активного ила (скорость потребления кислорода при отсутствии субстрата в среде), мгО2/(л×час);
	–скорость потребления кислорода активным илом, мгО2/(л×час);
	– концентрация активного ила, г/л;
	– удельная скорость потребления кислорода (физиологическая активность по кислороду), мгО2/(г×час);
	– удельная скорость роста, час-1;
	– истинный экономический коэффициент ( =0,45 г/гХПК);
	– истинный энергетический коэффициент ( =0,40 гО2/гХПК);
	– экономический коэффициент (прирост биомассы на единицу потребленного субстрата), г/гХПК;
	– коэффициент энергии поддержания (при измерении концентрации субстрата по ХПК коэффициент равен удельной скорости эндогенного дыхания, т.е. = ), мгХПК/(г×час);
	– энергетический коэффициент, гО2/гХПК;
	– кислородный эквивалент биомассы (удельное ХПК биомассы), принимается в расчетах =1,33 гХПК/г;
	– возраст биомассы (активного ила), час.
	– период генерации, час;
	– удельная скорость потребления субстрата (физиологическая активность по субстрату), мг ХПК/(г×час);
	– скорость потребления субстрата (скорость биологической очистки), мг ХПК/(л×час).

Лимитирующим (ограничивающим) рост фактором называется такой фактор, изменение которого на сравнительно небольшую величину влечет изменение удельной скорости роста (или физиологической активности). Например, если с увеличением концентрации кислорода скорость роста возрастает, то рост лимитирован по кислороду.

Для хлопьев активного ила лимитирующим рост фактором может выступать процесс диффузии субстрата и кислорода из раствора к хлопьям ила и внутри хлопьев – к бактериальным клеткам. Лимитирование роста по диффузии можно обнаружить, увеличив интенсивность перемешивания среды.

Если ни компоненты питательной среды, ни диффузионный процесс не лимитируют рост, то фактором, ограничивающим удельную скорость роста микроорганизмов, является их ферментативная активность. Иногда микроорганизмы адаптированы к среде и лимитирования по компонентам среды нет. В этом случае рост идет с максимальной скоростью ( ). Но если микробы к среде не адаптированы, то сначала протекает ферментативная адаптация, в ходе которой клетки синтезируют необходимые ферменты. В процессе ферментативной адаптации удельная скорость роста возрастает, стремясь к максимальной величине ( ).

Задание.

1. Определить оксиметрически скорость эндогенного дыхания активного ила.

2. Приготовить модельную сточную воду и запустить аэробный реактор периодического культивирования активного ила.

3. Измерить оксиметрически скорость потребления кислорода в начале и в конце цикла периодического культивирования при различной интенсивности перемешивания.

4. Рассчитать параметры роста и определить лимитирующие рост факторы в начале и конце цикла периодического культивирования.

Ход работы.

1. Определение скорости эндогенного дыхания активного ила.

Из донорного лабораторного аэробного реактора отбираем 200 мл иловой смеси и отстаиваем в мерном цилиндре. Через 5-10 минут, когда объем осадка станет менее 80 мл, с помощью сифона сливаем надосадочную жидкость до отметки 80 мл. В цилиндр вводим аэратор и включаем аэрацию активного ила от микрокомпрессора. Измеряем температуру ила.

Через 5 минут, не отключая аэрацию, отбираем сифоном половину (40 мл) активного ила в сосуд с мешалкой установки для определения скорости потребления кислорода (см. лаб. раб. № 4). Затем приливаем в сосуд водопроводную воду до отметки, отвечающей рабочему объему сосуда с мешалкой. Водопроводная вода предварительно должна быть отстояна, насыщена кислородом и подогрета (охлаждена) до температуры активного ила.

Снимаем кинетику потребления кислорода при выходном напряжении латра и находим скорость эндогенного дыхания (см. лаб. раб. № 4). Результаты оформляем в виде таблицы и графика зависимости концентрации кислорода от времени с начала отсчета.

Рассчитываем удельную скорость эндогенного дыхания (мгО₂/(г×ч) по формуле (5.1). Концентрацию активного ила в сосуде с мешалкой (г/л) определяем по формуле (6.9):

, (6.9)

где	– концентрация активного ила в донорном лабораторном реакторе (задается преподавателем), г/л;
	– рабочий объем сосуда с мешалкой, используемого для определения скорости эндогенного дыхания, мл.

2. Приготовление модельной сточной воды и запуск аэробного реактора периодического культивирования.

Модельная сточная вода готовится по одному из трех вариантов (см. лаб. раб. № 4), задаваемых преподавателем. После приготовления модельной воды ее температуру необходимо довести до температуры активного ила, а затем проаэрировать в течение 5 минут для насыщения кислородом.

Оставшиеся в мерном цилиндре 40 мл активного ила переливаем в сосуд с мешалкой. Затем добавляем в него модельную сточную воду до отметки, отвечающей рабочему объему сосуда, опускаем в сосуд датчик оксиметра, включаем магнитную мешалку при выходном напряжении латра 150 В и снимаем кинетику потребления кислорода (результаты фиксируем на самописце и путем прямого отсчета – см. лаб. раб. № 4).

Число оборотов магнитной мешалки ( ) в зависимости от выходного напряжения латра ( ) находим по калибровочному графику (размещен на оксиметрической установке) или по табл. 6.1.

Таблица 6.1