Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
финансового риска. В делом экономика микробиологического производства
явно улучшается, когда несколько таких производств обслуживаются
централизованными мощностями, должным образом оптимизированными и
ориентированными не только на узкие внутриотраслевые нужды.
Наиболее важными для промышленного микробиологического производства
являются следующие микробиологические факторы: 1) коэффициенты выхода
продукта или продуктов; 2) скорости роста и/или скорости получения
конечного продукта; 3) сродство культуры-продуцента к углеродным
энергетическим субстратам; 4) стабильность и неприхотливость культуры
продуцента.
К наиболее важным технологическим факторам относятся:
1) конверсия сырья и степень конверсии; 2) производительность; 3)
концентрации продукта.
В высокотехнологичных и рентабельных процессах эти микробиологические
технологические факторы тесно взаимосвязаны.
Принципы и методология изучения рентабельности химических предприятий
обсуждались Раддом и Уотсоном (Rudd, Watson, 1968).
10.2. Микробиологические факторы,
влияющие на производительность и экономичность процесса
В любом микробиологическом процессе ключевую роль играет культура
используемых микроорганизмов. В промышленной микробиологии широко
применяются плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, бактерии и водоросли в
виде чистых или смешанных культур. В традиционных процессах ферментации
предпочтение обычно отдается смешанным культурам, а в большинстве
современных ферментационных процессов - монокультурам, выращиваемым в
асептических условиях. Говорить об идеальных культурах можно лишь в самых
общих чертах. Следует отдавать себе отчет в том, что идеального
микроорганизма не существует, а разнообразие продуктов, которые можно
получать
26-1344
402
Глава 10
с помощью микроорганизмов, определяется разнообразием самих
микроорганизмов и их субстратов. Впрочем, возможно, когда-нибудь мы и
сумеем создавать такие идеальные микроорганизмы с помощью генетической
инженерии и тем самым опровергнем высказанное выше утверждение.
Большинство используемых сегодня культур получено из природных
источников; однако эти культуры были затем улучшены или путем выращивания
в условиях, характерных для данного процесса (для повышения выхода
биомассы и первичных метаболитов), или с помощью мутагенеза (для
производства вторичных метаболитов).
Приведем основные уравнения, описывающие рост микроорганизмов, в
частности одноклеточных, в ферментерах и в других микробиологических
реакторах. Для выращивания любой культуры необходимы: 1) жизнеспособный
посевной материал;
2) источники энергии и углерода; 3) питательные вещества для синтеза
биомассы; 4) отсутствие ингибиторов роста; 5) соответствующие физико-
химические условия.
Если все эти требования выполнены, то скорость роста (увеличения
биомассы) одноклеточных микроорганизмов с бинарным делением,
размножающихся в условиях хорошо перемешиваемой периодической культуры,
будет пропорциональна концентрации микробной биомассы, т. е.
где dx/dt - скорость роста, р- коэффициент пропорциональности, обычно
называемый удельной скоростью роста, х - концентрация биомассы (на сухой
вес). Если р- постоянная величина, уравнение (1) можно преобразовать и
проинтегрировать:
1пд: = 1п *0+pi, (2)
где Хо - концентрация микробной биомассы в момент времени t=0, t - время.
Уравнение (2) можно переписать в виде
In (х/х0) = pi, (3)
откуда
х = х0 е^. (4)
Если построить график зависимости 1пх от времени, то мы получим прямую
с наклоном р. Такой рост называют экспоненциальным или
логарифмическим; он имеет место тогда, когда
состав микробной биомассы и условия окружающей среды остаются
постоянными. Приведенные выше уравнения применимы и к смешанным
культурам, в которых одноклеточные организмы равномерно распределены в
культуральной среде.
Химическая технология и биотехнология
403
При описании роста микроорганизмов с бинарным делением в периодических
культурах широко используется величина, характеризующая время удвоения
биомассы. Связь между удельной скоростью роста ц и временем удвоения
биомассы ty можно найти из уравнения (3), заменив х на 2х0, at - на ty:
10.2.1. Эффективность роста: коэффициент выхода биомассы
При любой количественной оценке роста микроорганизмов и/или синтеза
конечного продукта необходимо связать образование микробной биомассы и
продуктов с расходованием субстратов и питательных веществ. Для описания
соотношения между ростом микроорганизмов (в расчете на сухой вес) и
потреблением углеродного энергетического субстрата были введены понятия
урожая бактериальной культуры и выхода биомассы (Monody 1942). В
математической форме коэффициент выхода микробной биомассы Yx/s можно
представить следующим образом:
(6)
ds
где ds - бесконечно малое уменьшение концентрации субстрата*
соответствующее бесконечно малому увеличению концентрации микробной
биомассы dx. Знак минус указывает, что знаки изменения х и s
противоположны. При постоянных условиях роста коэффициент выхода остается
