Кинетика роста микроорганизмов в периодических и проточных процессах

      Комментарии к записи Кинетика роста микроорганизмов в периодических и проточных процессах отключены

В периодическом процессев течение всего времени культивирования поступают только кислород, пеногаситель и для контроля рН соответственно’ кислота или основание. Все компоненты вносятся в начале ферментации.

В результате метаболизма клеток состав среды, концентрация биомассы и метаболитов все время изменяются.

В культивировании выделяют четыре главные фазы роста: лаг-фазу, лог-фазу, стационарную фазу и фазу отмирания. Лаг-фаза может отсутствовать, если инокулят находится в лог-фазе.

Если во время лог-фазы культура микроорганизмов растет с постоянной и максимальной скоростью, увеличение клеточной массы можно описать количественно: как время удвоения в единицу времени числа клеток (для дрожжей и бактерий) или биомассы (для нитчатых форм), например, стрептомицетов и грибов. Скорость роста биомассы пропорциональна ее количеству и времени продолжительности этого процесса.

В стационарной фазе количество биомассы может расти или остается постоянным, хотя химический состав клеток, возможно, изменяется. В этой фазе часто образуются продукты, обладающие биотехполо-гической ценностью.

Фаза отмирания характеризуется тем, что какие-либо компоненты среды, и прежде всего энергетические запасы клеток, исчерпываются. В промышленности чаще всего ферментацию заканчивают в конце лог-фазы или перед началом фазы отмирания.

В периодических процессах часто используют подпитку (например, когда нужно избежать катаболитной репрессии в производстве пенициллина). При ферментации с подпиткой критический элемент питания вносят в маленьких дозах в начале процесса и во время продуктивной фазы при получении вторичных продуктов (Л. И. Воробьева, 1989).

Для периодической ферментации характерны недостатки:

1) большие затраты времени, связанные с необходимостью загрузки и разгрузки биореактора;

2) большие затраты из-за малой продуктивности, которая связана с низкой концентрацией биокатализатора (микробных клеток), ипги-бировапием конечными продуктами и исчерпанием субстрата для биосинтетических процессов;

3) необходимость отделения микробных клеток в конце этого
процесса;

4) длительность, измеряемая сутками.

Проточный процесс.В настоящее время требуются высокопроизводительные системы наращивания биомассы. Их реализация связана с проведением проточного процесса. Последний должен проте-

кать с большой скоростью и высокой плотностью клеток на протяжении всей ферментации, при этом конечные продукты, оказывающие ингибирующие действия, должны постоянно удаляться из системы. Проточная ферментация по сравнению с периодической имеет следующие преимущества:

1) понижает затраты;

2) позволяет лучше осуществлять контроль процесса;

3) часто приводит к увеличению продуктивности.

Так, например, при производстве этанола проточным способом выход продукта в 3 раза выше, чем при периодическом культивировании дрожжей. Различают два основных типа установок для осуществления проточной ферментации:

1) биореакторы с гомогенным перемешиванием жидкости, представляющие собой хемостаты или турбидостаты;

2) реактор полного вытеснения. В этом варианте раствор протекает по тубулярному реактору без перемешивания, и состав питательных веществ, число клеток, содержание 02 и продуктивность в разных местах неодинаковы. На входе в реактор вместе с питательной средой постоянно подается инокулят.

Во время проточной ферментации удаление клеток вместе с уходящим из системы раствором должно быть сбалансировано с ростом микроорганизмов.

Концентрация субстрата на входе обозначается 50. При медленном протоке субстрат (5) почти полностью используется клетками (S0), и их концентрация X = Sq/Y. Если D увеличивается, то X медленно снижается в начале, а затем, когда D = jJ,max, резко падает до 0. Величина 5 постепенно растет (по мере увеличения D) и становится равной 50 при D = /Jmax. При х = 0 достигается точка вымывания D,

max*

^тах ~ v c ‘ (6)

отсюда

!’ (7)

0

Ks +S0 поэтому Dmax = jiim3LX.

Если значение Dmax превышает /imax, то стационарное состояние становится невозможным. В случае когда скорость протока немного ниже Dmx, система очень чувствительна к внешним воздействиям.

Для оценки процессов, происходящих во время культивирования микроорганизмов, используется модель Mono. Последняя, к сожалению, не всегда применима в случае проточного способа, например, при очень низких или очень высоких скоростях роста: если источник углерода — лимитирующий фактор, то при низких скоростях прото-

ка добавленные углеводы используются в первую очередь для поддержания клеток, но не для роста, при высоких часть субстрата используется не полностью, и продуктивность понижается.

Если азот (N) является лимитирующим фактором, то при низких скоростях протока образуется резервный материал, например, полисахариды, при этом размеры клеток и биомасса увеличиваются.

Накопление конечных метаболитов тоже не описывается достаточно точно моделью Mono при очень высоких или очень низких скоростях протока. Так, при минимальной скорости роста продукция пенициллина прекращается, и начинают образовываться конидиеспоры.

Скорость синтеза продуктов зависит от скорости протока. Это относится к экскреции первичных и вторичных метаболитов, синтезу отдельных ферментов.

Проточное культивирование используется для получения биомассы дрожжей, глюкозоизомеразы, этанола, очистки сточных вод, производства пива. Многие из таких процессов не нашли применения в промышленности по ряду причин:

1) для данного вида производства необходимо, чтобы система стабильно работала по крайней мере 500 — 1 000 ч, а для этого требуются глубокие знания физиологии, зависимости процесса от внешних условий;

2) в промышленном масштабе особенно трудно поддерживать стерильность;

3) совокупность компонентов промышленных питательных сред не является оптимальной для каждой стадии процесса. Состав материалов нестабилен (например, пептона, крахмала, кукурузного экстракта), поэтому максимального выхода продукта достичь не удается;

4) снижается эффективность за счет того, что высокопродуктивные штаммы подвержены реверсии и возникающие обратные мутанты могут перерасти и вытеснить в протоке продуктивные штаммы.

Дополнительные материалы:

Проточный водонагреватель или бойлер, что выбрать


Похожие статьи: