КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Тип I

Тип II

Тип III

T, ч

— кривая роста

------- кривая катаболизма углеводов

........ образование продукта

Рис.6. Типы ферментации

II тип.Продукт также образуется из субстрата, используемого в первичном метаболизме, но во 2-й фазе, отделенной от 1-й во време­ни:

субстрат S —» В —» С —¥ D — первичный метаболит

Е -» F -» продукт

В периодической ферментации, характерной для данного типа, наблюдается 2 максимума. Вначале имеется хороший рост, который затем замедляется, и начинается образование продукта, сопровожда­ющееся интенсивным потреблением субстрата. В этом типе трофо-фаза и идиофаза разделены во времени. Таким путем образуются лимонная, итаконовая кислоты, некоторые аминокислоты, а-амилаза у Вас. subtilis.

Ill тип.Первичный метаболизм полностью отделен от образо­вания конечного продукта, которое происходит по амфиболическому принципу. Этот процесс сопровождается потреблением субстрата и ростом, а целевой продукт образуется позднее, в реакциях промежу­точного метаболизма. По III типу получают многие антибиотики, ви­тамины, растворители.

На самом деле не всегда удается строго подразделить все фер­ментации на три типа, возможны промежуточные варианты. В каче­стве примера можно привести образование молочной кислоты, зани­мающее пограничное положение между I и II типами. В указанные общие типы невозможно вместить производство антибиотиков стреп-томицетами.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ

ПРОЦЕССОВ

Образование тепла.Для получения оптимального выхода про­дукта ферментацию нужно проводить при постоянном температур­ном режиме, поэтому тепло, которое образуется при перемешивании и метаболической активности микроорганизмов, необходимо удалять с помощью специальных охладительных систем.

Количество тепла, выделяемого микроорганизмами, определяют как

*ккал - тт v и ' (8)

где У_ккал — количество тепла, выражается в г клеток/ккал выделен­ной энергии; Y_s - выход биомассы, г клеток/г потребленного суб­страта; Н$ и Н_с — тепло, выделяемое соответственно при сгорании субстрата и Клеток (определяется экспериментально), ккал/г.

Представление о выделении тепла бактериями при росте на раз­ных субстратах отражено в табл. 1 (по Воробьевой Л. И., 1989), из которой следует, что, чем больше окислено вещество (глюкоза или ацетат), тем меньше тепла выделяется на единицу биомассы; чем боль­ше величина \х, тем больше У_кшл.

Таблица 1

Скорость выделения тепла в единицу времени находят, исходя из скорости роста, объема реактора (У) и коэффициента У_ккал. Так, скорость роста рассчитывается по формуле

Dx Hi

IMX,

(9)

скорость выделения тепла в единицу времени

Q_w=Vjjx~-- (10)

*ккал

Содержание 0₂в жидкости.Критическим или определяющим фактором ферментации является массоперенос газов: кислорода и углекислоты.

Кислород часто выступает лимитирующим фактором, поскольку плохо растворяется: в 1 л воды при 20 °С в растворенном состоянии находится только 0,3 ммоля 0₂, а в питательной среде его содержа­ние еще ниже.

По закону Генри растворимость 0₂ в питательном растворе по отношению к парциальному давлению его в газовой фазе описывает­ся следующим образом:

С*=^-, (11)

Я ^v '

где С* — концентрация 0₂, насыщающего питательный раствор; Р₀ — парциальное давление газа в газовой фазе; Я — константа Генри, специфичная для газа и жидкой фазы. При увеличении кон­центрации кислорода в газовой фазе (Р = const) его содержание в питательном растворе тоже растет. Если повышается t, растворимость 0₂ снижается. Парциальное давление газа равно произведению моль­ной доли газа на общее давление смеси (закон Дальтона):

^0 ⁼ У?*

где у — мольная доля газа; Р — общее давление.

Перенос 0₂.При культивировании одноклеточных организмов (бактерий, дрожжей) наиболее важный фактор, контролирующий ско­рость переноса 0₂, - устойчивость фазовой границы пузырьков газа и жидкости. Клетки, находящиеся рядом с газовыми пузырьками, могут непосредственно поглощать газ через фазовые границы, лучше снаб­жаются кислородом. Перенос же 0₂ через агломераты, или комочки клеток, затруднен и становится лимитирующим фактором. Диффу­зия его в жидкость характеризуется следующим уравнением:

Х_А=-^г = K_La(C_x - C_L) = OTR, (12)

аТ

где N_A — массоперенос, зависящий от объема, ммоль 0₂/(л • ч), и показывающий скорость сорбции растворенного 0₂, т. е. его количе­ство, которое переходит из газовой фазы в жидкую в единицу объема за единицу времени; K_L — коэффициент переноса на границе фаз; а ~~ специфическая поверхность обмена; K_La — объемный коэф­фициент переноса 0₂, ч^-1; C_L — концентрация растворенного газа,

ммоль 0₂/л (текущая концентрация растворенного 0₂ в жидкости); С_х - равновесная концентрация растворенного 0₂ в жидкости (уста­навливается при равенстве скоростей процессов абсорбции и десорбции и зависит от природы и физико-химических параметров жидкости и газа); OTR — скорость переноса 0₂, ммоль 0₂ (л • ч).

Объемный коэффициент переноса рассматривают как критический параметр для функционирования биореактора. Величина K_La зави­сит от: 1) диаметра; 2) вместимости; 3) мощности; 4) аэрациоипой системы; 5) скорости аэрации в биореакторе; 6) плотности, вязкости и состава питательной жидкости; 7) структуры микроорганизмов; 8) при­меняемого антивспенивателя; 9) температуры.

0₂ как субстрат.Рост культуры микроорганизмов с лимитирую­щим субстратом рассчитывают по уравнению

K_s+S Если 0₂ выполняет роль субстрата, то

С

0о₂ ⁼ Qmax------------ ■

(13)

(14)

где Qq — удельная скорость поглощения 0₂, отнесенная к массе су­хих клеток, ммоль 0₂/(г клеток • ч); Q_max — максимальная скорость поглощения 0₂; Kq — константа Михаэлиса—Меитеи для 0₂.

Максимальная скорость поглощения Оо разными микроорганиз­мами значительно различается (см. табл. 2) (по Воробьевой, 1989).

Таблица 2 Максимальная скорость поглощения 0₂ (О_тах) У некоторых организмов

Критическая концентрация кислорода показывает величину удель­ной скорости поглощения 0₂, которая необходима для дыхания. Есть 4 приемлемых метода определения этой скорости: 1) динамический; 2) сульфитный; 3) прямое измерение скорости переноса 0₂; 4) тео­ретический расчет, учитывающий рост биомассы.

Динамический метод.В периодической ферментации истинную

концентрацию 0₂, т. е. C_L, можно определять, измеряя скорость ее уменьшения C_L после прекращения аэрации.

Очень часто применяют сульфитный метод. Принцип его заклю­чается в том, что в присутствии 10~³ моль кобальта и меди сульфит натрия окисляет растворенный кислород соответственно уравнению

•J Cu²⁺ или Со²⁺
Na₂S0₃ + - 0₂------------------- > Na₂S0₄

В настоящее время в современных биотехнических производствах регистрируют концентрации кислорода с помощью электрода Клар­ка. Этот метод позволяет проводить данную процедуру в динамике.

Определение скорости переноса 0₂ с помощью измерения мик­робного роста.В аэробных условиях кислородное потребление на 1 г сухой биомассы рассчитывают, пользуясь уравнением