Кинетика биохимических процессов.

Общая технология биохимических процессов.

Биохимические процессы проводятся в аппаратах периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Все биотехнологические процессы можно систематизировать в несколько групп:

- культивирование, целью которого является получение биомассы микроорганизмов или ее компонентов (производство хлебопекарных дрожжей, кормовых дрожжей и др.);

- биосинтез продуктов метаболизма (производство пищевого спирта, уксусной и лимонной кислот, аминокислот, антибиотиков и др);

- избирательная утилизация некоторых веществ из смесей (например, депарафинизация нефти, очистка сточных вод и др);

- процессы, в которых микроорганизмы играют роль биокатализаторов (например, в производстве гормональных препаратов).

Технологическая схема производства состоит из приготовления посевного материала в стерильных условиях, приготовления и стерилизации питательных сред, ферментации, выделения и сушки продукта.

Посевной материал готовят в стерильных лабораторных условиях. Посевную культуру продуцента, поступающую в лабораторию с посевной станции, выращивают сначала в пробирках, а затем в колбах (при встряхивании) на соответствующих питательных средах. Выращивание посевного материала происходит в течение 18-48 часов. Наиболее пригодна для производства посевная культура, развитие которой находится в конце логарифмической фазы роста.

Полученную посевную культуру загружают в инокулятор, заполненный стерилизованной питательной средой, в который подается очищенный воздух. Среда в инокуляторе перемешивается механическими мешалками и подаваемым в аппарат воздухом. Температура и рН среды поддерживаются в заданных пределах.

Полученный в инокуляторе посевной материал загружается в ферментатор. Ферментатор и все коммуникации предварительно стерилизуют острым паром и проверяют на герметичность. В ферментатор заливают стерилизованную и охлажденную до 25-35^ОС питательную среду, включают систему аэрации и перемешивающие устройства, а затем вносят посевной материал в количестве 5-10% от объема питательной среды.

Многотоннажным продуктом биохимического синтеза являются белково-витаминные концентраты, которые используются в качестве белоксодержащих добавок в рационе питания сельскохозяйственных животных. В белково-витаминных концентратах (БВК) содержатся аминокислоты, витамины, липиды и др. активные вещества, определяющие питательную ценность БВК.

Для производства БВК используются дрожжи типа Gandida, которые способны утилизировать разнообразные субстраты (глюкозу, мальтозу, ксилозу, сахарозу и др.), что позволяет выращивать их на отходах различных пищевых производств и на жидких Н-парафинах нефти. Однако жидкие Н-парафины нефти должны быть тщательно очищены от вредных веществ, что значительно удоражает производство БВК.

Питательные среды должны обеспечивать рост и развитие микроорганизмов углеродом, азотом, кислородом, фосфором, серой, микроэлементами и факторами роста.

Для приготовления питательных сред часто вместо чистых углеводов (глюкозы, сахарозы, лактозы и др.) используют отходы пищевых производств – крахмалопаточного (меласса, гидрол), растительные отходы, продукты молочной промышленности, кукурузную муку и др.

Кинетика биохимических процессов.

Большинство используемых в промышленности микроорганизмов являются гетеротрофами, для жизнедеятельности которых необходимы органические источники углерода.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы осуществляют разнообразные функции, которые обусловлены высокой степенью организации клеток и их сложной структурой.

В ходе жизнедеятельности микроорганизмов клетки непрерывно претерпевают как количественные, так и качественные изменения: рост, изменение химического состава, морфологии, размножение, спорообразование и, наконец, отмирание.

Дрожжи, как правило, размножаются почкованием. На клетке образуется почка, которая растет до размеров материнской клетки, а достигнув ее размеров отделяется.

Типичная кривая роста культуры микроорганизмов показана на рис.2. Первая фаза – лаг-фаза – характеризуется отсутствием роста клеток. В этой фазе (Iстадия) посевная культура адаптируется к внешним условиям и вырабатывает ферменты для роста клеток на данной питательной среде. В экспоненциальной фазе (IIстадия) клетки размножаются с максимально возможной в данных условиях скоростью. Продолжительность этой фазы зависит от запаса питательных веществ в среде культивирования, эффективности перемешивания и скорости подвода кислорода к клетке, т.е. эффективности аэрации.

С увеличением накопления биомассы исчерпываются питательные вещества, накапливаются продукты обмена и снижается скорость массообмена кислорода с клеткой. Эти факторы приводят к снижению скорости роста микроорганизмов (IIIстадия).

Дальнейшее потребление субстратов и выделение метаболитов приводят к прекращению роста (IVстадия) – стационарная фаза. ВVстадии (стадия отмирания) число клеток резко снижается.

Для описания кинетики роста микроорганизмов используют общую и удельную скорости роста. Общая скорость биомассы микроорганизмов

(в кг/(м^3. ч)) представляет собой отношение прироста биомассыdМ за бесконечно малый промежуток времени dτ. Эта скорость пропорциональна концентрации биомассы.

Кинетика роста биомассы микроорганизмов описывается уравнением

, (1)

где М –концентрация биомассы, кг/м³ ; τ – продолжительность процесса, ч; К – удельная скорость роста биомассы, ч^-1.

Из уравнения (1) удельная скорость

(2)

В экспоненциальной фазе удельная скорость роста биомассы микроорганизмов постоянна и равна максимально возможной для данной культуры и условий проведения процесса.

Концентрация биомассы согласно уравнению (1) возрастает по экспоненциальному закону

, (3)

где М₀– концентрация биомассы в начале экспоненциальной фазы, кг/м³ .

Следует отметить, что это уравнение, предложенное еще Мальтусом^*, справедливо при отсутствии дефицита питательных веществ, а также в условиях эффективной гидродинамической обстановки, обеспечивающей максимальную скорость массопереноса кислорода из пузырьков воздуха к клеткам. При этом предполагается бесконечный рост клеток.

*Мальтус Т.Р. (1766 – 1831) – английский экономист, основоположник теории мальтузианства, согласно которой бедственное положение и безработица трудящихся – результат «абсолютного избытка людей», действие «естественного закона народонаселения». Мальтус считал, что должно быть соответствие между численностью населения и количеством средств существования. Высокие темпы роста населения в отсталых развивающихся странах усиливают их социально-экономическую отсталость Соответствие между численностью населения и средств существования должно регулироваться ограничением рождаемости, а также стихийными бедствиями, войнами и т.д.

Классиками марксизма доказана несостоятельность концепции Мальтуса.

В действительности рост клеток затормаживается из-за истощения питательных веществ, выделения продуктов метаболизма и взаимного влияния микроорганизмов при возрастании их концентрации.

Прологарифмировав уравнение (2), получим

(4)

В полулогарифмических координатах уравнение (4) представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, пропорциональным удельной скорости роста К.

Для расчета удельной скорости роста, определяют значения М₁ и М₂для двух точек, соответствующих продолжительности процесса τ₁и τ₂.

Тогда (5)

Продолжительность регенерации τ_р , за которую количество биомассы увеличится в два раза

(6)

В качестве сырья в микробиологическом синтезе используют отходы крахмало-паточного производства (меласса, гидрол), гидролизаторы торфа и питательных отходов, молочную сыворотку, кукурузную муку, углеводороды переработки нефти.

Скорость потребления питательных веществ из культуральной среды в процессе ферментации зависит от концентрации микроорганизмов и характеризуется удельной скоростью. По аналогии с уравнением (1) можно записать

, (7)

где: S – концентрация субстрата, кг/м³, К_С- удельная скорость потребления субстрата.

Величина удельной скорости зависит от концентрации субстратов и метаболитов, температуры, РН среды и других факторов.

Часто для определения удельной скорости используют следующую зависимость

, (8)

где: Э – экономический коэффициент, характеризующий выход биомассы на 1 кг израсходованного субстрата; υ – скорость потребления субстрата на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов; К/Э – количество субстрата, пошедшего непосредственного на прирост биомассы.

Кинетика биосинтеза продуктов метаболизма описывается аналогичным уравнением

, (9)

где: Р – концентрация метаболитов, кг/м³; К_Р- удельная скорость образования метаболитов, ч^-1.

Для описания кинетики образования метаболитов часто используют зависимости удельной скорости их образования от скорости роста микроорганизмов.

, (10)

где: а и в – коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого конкретного случая.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: