КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

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 на 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-коповой кислоты. Схематично реакция выглядит как S —> продукт или S —> В —> С —> продукт.

Тип III

Тип II

Тип I

а

в

U 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 време-

ни:

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

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 IIтипами. В указанные общие типы невозможно вместить производство антибиотиков стреп-томицетами.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫФЕРМЕНТАЦИОННЫХ

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

V

^ккал"Я₅-У₅Я_с

где У_ккал — количество тепла, выражается в г клеток/ккал выделен­ной энергии; Y_s— выход биомассы, г клеток/г потребленного суб­страта; H_s 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_ккал.

Таблица1

Экономические коэффициенты У_ккал с различными субстратами

 

Субстрат	Уккал (г клеток/ ккал)
Малат	0,30
Ацетат	0,21
Глюкоза	0,42
Метанол	0,12
Этанол	0,18
Изопропанол	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 У_ккал- Так, скорость роста рассчитывается по формуле

(9)

скорость выделения тепла в единицу времени

—^ — (10)

Содержание О₂ в жидкости. Критическим или определяющим фактором ферментации является массоперепос 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 О₂, а в питательной среде его содержа­ние еще ниже.

По закону Генри растворимость О₂ в питательном растворе по отношению к парциальному давлению его в газовой фазе описывает­ся следующим образом:

с*=5-. сю

где С* — концентрация О₂, насыщающего питательный раствор; Pq — 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 О₂ снижается. Парциальное давление газа равно произведению моль­ной доли газа на общее давление смеси (закон Дальтона):

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

Перенос О₂. При культивировании одноклеточных организмов (бактерий, дрожжей) наиболее важный фактор, контролирующий ско­рость переноса О₂, — 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 О₂ через агломераты, или комочки клеток, затруднен и становится лимитирующим фактором. Диффу­зия его в жидкость характеризуется следующим уравнением:

-C_L) = OTR, (12)

где N_A— массоперенос, зависящий от объема, ммоль О₂/(л • ч), и показывающий скорость сорбции растворенного О₂, т. е. его количе­ство, которое переходит из газовой фазы в жидкую в единицу объема за единицу времени; K_L — коэффициент переноса па границе фаз; а — специфическая поверхность обмена; K_La — объемный коэф­фициент переноса О₂, ч"¹; C_L — концентрация растворенного газа,

ммоль О₂/л (текущая концентрация растворенного О₂ в жидкости); С_х — равновесная концентрация растворенного О₂ в жидкости (уста­навливается при равенстве скоростей процессов абсорбции и десорбции и зависит от природы и физико-химических параметров жидкости и газа); OTR — скорость переноса О₂, ммоль О₂ (л • ч).

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

О₂ как субстрат. Рост культуры микроорганизмов с лимитирую­щим субстратом рассчитывают по уравнению

Если О₂ выполняет роль субстрата, то

QO₂ = Omax - _{v x}^L_r' (14)

где Qq — удельная скорость поглощения О₂, отнесенная к массе су­хих клеток, ммоль О₂/(г клеток • ч); Q_max— максимальная скорость поглощения О₂; Х_о — константа Михаэлиса —Ментеи для О₂.

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

Таблица2 Максимальная скорость поглощения О₂(Q_max) У некоторых организмов

 

Организм	Qmav» МОЛЬО2/(ГКЛСТОК ' 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 О₂, которая необходима для дыхания. Есть 4 приемлемых метода определения этой скорости: 1) динамический; 2) сульфитный; 3) прямое измерение скорости переноса О₂; 4) тео­ретический расчет, учитывающий рост биомассы.

Динамический метод. В периодической ферментации истинную

концентрацию О₂, 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

Na₂SO₃+ - O₂

Си²⁺ или Со²⁺

Na₂SO

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 О₂ с помощью измерения мик­робного роста. В аэробных условиях кислородное потребление на 1 г сухой биомассы рассчитывают, пользуясь уравнением

У

(15)

где С — потребление О₂ (на сухую биомассу), ммоль О₂/г сухих клеток; А — количество кислорода, необходимое клеткам для окис­ления 1 г субстрата до СО₂, Н₂О и NHq; В — количество кислорода, необходимое для окисления 1 г сухой биомассы до СО₂, Н₂О и NH₃; Y_s — биомасса, г/ г субстрата. Л получают в результате теоретиче­ских расчетов окисления субстрата; В требует анализа биомассы (для дрожжей В = 934 мл О₂/г сухой биомассы).

В табл. 3 даны общие сведения о потребности в О₂ некоторых микроорганизмов (Воробьева Л. И., 1989).

Таблица3