Классификация ферментационных процессов

      Комментарии к записи Классификация ферментационных процессов отключены

В связи с тем что биосинтез любого продукта зависит от энергетического метаболизма, различают три типа ферментационных процессов (рис. 6) (Воробьева Л. И., 1989).

I тип.В этом варианте продукт возникает в результате первичного метаболизма, направленного па получение энергии. Рост, катаболизм углеводов и образование продукта здесь происходят практически параллельно (рис. 6, а). Трофофаза и идиофаза не отделены друг от друга. Примером ферментации этого типа может служить и производство белка одноклеточных (SCP), этанола, глю-коиовой кислоты. Схематично реакция выглядит как S —» продукт или S — В —» С — продукт.

Классификация ферментационных процессов

Классификация ферментационных процессов Hi

Тип I

Тип II

Тип III

а
t, ч
t,4

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 Уккал — количество тепла, выражается в г клеток/ккал выделенной энергии; Ys — выход биомассы, г клеток/г потребленного субстрата; Н$ и Нс — 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 Укшл.

Таблица 1

Экономические коэффициенты Уккал с различными субстратами
Субстрат У„„пя (г клеток/ ккал)
Малат 0,30
Ацетат 0,21
Глюкоза 0,42
Метанол 0,12
Этанол 0,18
Изопроианол 0,07
н-Парафин 0,16
Метан 0,06

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

Dx Hi

IMX,

(9)

скорость выделения тепла в единицу времени

Qw=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:

ХА=-^г = KLa(Cx — CL) = OTR, (12)

аТ

где NA — 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; KL — коэффициент переноса на границе фаз; а ~~ специфическая поверхность обмена; KLa — объемный коэффициент переноса 02, ч-1; CL — концентрация растворенного газа,

ммоль 02/л (текущая концентрация растворенного 02 в жидкости); Сх — 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 KLa 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

№ /^тах
K0+CL

Ks+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); Qmax — 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 (Отах) У некоторых организмов

Организм Q , моль Q,/(r клеток • ч)
Aspergillus niger 3,0
Str. griseus 3,0
Pen. chrysogenum 3,9
Klebsiella aerogenes 4,0
Sacch. cerevisiae 8,0
E. coli 10,8

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. CL, можно определять, измеряя скорость ее уменьшения CL 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

С = у-~В (15)

где С — потребление 02 (на сухую биомассу), ммоль 02/г сухих клеток; А — количество кислорода, необходимое клеткам для окисления 1 г субстрата до С02, Н20 и NEU; В — количество кислорода, необходимое для окисления 1 г сухой биомассы до С02, Н20 и NH3; Ys — биомасса, г/ г субстрата. А получают в результате теоретических расчетов окисления субстрата; В требует анализа биомассы (для дрожжей В = 934 мл 02/г сухой биомассы).

В табл. 3 даны общие сведения о потребности в 02 некоторых микроорганизмов (Воробьева Л. И., 1989).

Таблица 3

Потребность в кислороде для некоторых микроорганизмов при культивировании на разных субстратах

Микроорганизм Субстрат Потребность в кислороде (мл 02/г сухих клеток)
Aerobacter aerogenes Глюкоза NH3
Е. coli
Pen. chrysogenum
Sacch. cercvisiae меласса 430 -590
Sacch. cerevisiae 430 — 550
Sacch. cerevisiae глюкозопептон
Rhodotorula glutinis
Candida utilis
Candida utilis глюкозомочевина
Candida utilis глицеринпептон

Чтобы определить общее количество 02, которое требуется культуре за 1 ч, нужно знать удельную скорость роста \х (ч-1), биомассу X (т/л) и Y0 (г клеток/г 02):

NA=yX — , (16)

^0

где NA — общее количество 02, необходимое культуре за 1 ч; К — корректирующий фактор, ммоль 02 / г Оо.

Чтобы определить У0 (г клеток/г 02), используют следующее уравнение:

— = 16 Y0

1 .J2C + H1/20 О’ С N’ Я’^

. YSM +1 600 600 933 200 .

(17)

где С,Н, О — соответственно число атомов углерода, водорода и кислорода в субстрате; С, Я’, О’, N’ — соответственно процент углерода, водорода, кислорода и азота в биомассе; М — молекулярный вес субстрата.

Значение углекислого газа в ферментационных процессах.Углекислый газ является одним из важнейших метаболических продуктов, но о его роли в ферментационных процессах известно гораздо меньше, чем о роли кислорода.

Перенос 02 является лучшим способом для масштабирования и оптимизации погруженной культуры. Углекислоту также следует рассматривать как фактор, оказывающий непосредственное влияние на ферментационный процесс. Если кислород (для аэробных организмов) ограничивает обычно ферментационную кинетику, то С02 влияет на величину рН и па кислотно-основное равновесие в среде с электролитами, т. е. характер его действия совершенно иной, чем у 02.

Углекислота оказывает двойное действие на биологические клетки: низкие ее концентрации стимулируют их рост, а высокие ингиби-руют его.

Полное отсутствие С02 обычно оказывает отрицательное действие на рост большинства бактерий, если не всех микробов вообще. Обычно лимитирующие углекислый газ условия создаются в начале роста (что приводит к удлинению лаг-фазы) или при мощной аэрации. Последнее обстоятельство связано с тем, что в растворе бикарбонатные ионы находятся в равновесии с растворенным С02 и с С02 газовой фазы.

Те же явления можно наблюдать с анаэробными культурами, ко-торые продувают молекулярным азотом, чтобы удалить 02, при этом улетучивается также углекислота. Это можно преодолеть, если ионы бикарбоната вносить в среду или продувать ее газом, содержащим

С02.

Вместе с тем необходимо учитывать, что в определенных количе-

ствах, выходящих за пределы парциального давления 25 — 100 кПа, С02 задерживает рост большинства организмов, хотя устойчивость к нему сильно отличается у разных их видов.

Чувствительными к С02 микроорганизмами являются бактерии рода Pseudomonas, а устойчивыми к нему — гомофермептативные молочнокислые.

Дополнительные материалы:

Классификация чая


Похожие статьи:

  • Классификация биореакторов по функциям и типу

    В настоящее время существует шесть основных типов конструкций биореакторов: 1) сосуды без внутренних частей, сосуды с перемешиванием (мешалкой) и…

  • Классификация аминокислот.

    I. Физико-химическая – основана на различиях в физико-химических свойствах аминокислот. 1) Гидрофобные аминокислоты (неполярные). Компоненты радикалов…

  • Микроорганизмы, клетки и процессы, применяемые в биотехнологии

    В природе существует огромное число микроорганизмов. Все они способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, которые могут быть полезны для…