Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
определить прямо из данных для периодического процесса. В целом процессы
такого типа лучше всего протекают в стационарных условиях в одностадийном
биореакторе с полным перемешиванием. Те процессы, для которых в условиях
периодической культуры характерны кинетики типа II или III, при
непрерывном культивировании, по всей видимости, лучше всего осуществлять
в многостадийных последовательных биореаКто-
Время
Рис. 10.3. Кинетические кривые для периодического процесса ферментации,
предложенные Гэйденом (Gaden, 1959). Штриховые кривые - рост, пунктирные-
использование субстрата, сплошные - образование продукта.
410
Глава 10
pax. В этом случае можно так подобрать условия, чтобы скорость роста и
связанный с ним энергетический метаболизм достигали максимума на одной
стадии, а образование продукта - на другой. Прежде чем переводить такие
процессы из периодических в непрерывные, очень важно выяснить соотношения
между скоростями отдельных процессов и основными контролируемыми
переменными.
В настоящее время некоторые процессы, характеризующиеся кинетикой типа I
в условиях периодической культуры, осуществляются как непрерывные; для
процессов же с кинетикой типа II и III известны лишь единичные примеры
такого рода. Впрочем, эти процессы находят в последнее время все более
широкое применение именно при периодическом поступлении питательных
веществ.
10.2.3. Сродство к субстрату и рост микроорганизмов
При анализе роста культур в биотехнологических процессах необходимо
учитывать остаточную концентрацию питательных веществ (субстратов),
конкурентоспособность микроорганизмов и особенности их роста на смешанных
углеродных энергетических субстратах. Первый из этих факторов имеет два
важных аспекта. Один из них экономический, связанный с полнотой
использования субстрата; второй касается качества продукта, его чистоты и
нетоксичности, поскольку остатки субстрата попадают в конечный продукт.
Полнота использования субстрата, который является лимитирующим в
периодической или непрерывной культуре, определяется сродством к нему
данных микроорганизмов.
По-видимому, наиболее известной кинетической моделью ферментативных
процессов является модель Михаэлиса - Мен-тен. Реакция фермента с
субстратом описывается следующим уравнением:
Е + sJ^E-S-^Е+Р, (16)
*-i
где Е - фермент, S - субстрат, Е-S - фермент-субстратный комплекс, Р -
продукт, fe+i - константа скорости первой реакции в прямом направлении,
k~i - константа скорости первой реакции в обратном направлении, k2 -
константа скорости второй реакции, которая считается необратимой.
Изменение концентрации фермент-субстратного комплекса описывается
следующим уравнением:
¦^- = k+l{e-c)s-k.ic-k2c, (17)
Химическая технология и биотехнология
411
где е - концентрация фермента, с - концентрация фермент-суб-стратного
комплекса, s - концентрация субстрата. Если s^e, то для стационарного
состояния
es
с = '
k-\-
(18)
Для ферментативной реакции, описываемой уравнением (16), скорость
образования продукта v равна
У ? ^____________^2 es______________ Гтах___________S________ vmax
s (19)
2 1(^-1 + k2)/k+1\ + s Ks + (k2jk+1) + s Km+ s
где Umax-максимальная скорость образования продукта, т. е. скорость, при
которой весь фермент входит в состав фермент-субстратного комплекса, Ks-
константа равновесия для реакции диссоциации фермент-субстратного
комплекса, Km=Ks + +k2/k+1 - константа Михаэлиса. Когда скорость
образования продукта определяется константой k2, т. е. &2-С&+1, то
KM = KS. (20)
При выполнении условия (20) величина Км. обратно пропорциональна сродству
фермента к субстрату: чем меньше Км, тем выше СрОДСТВО. ЕСЛИ МЫ ЗаМеНИМ
ВеЛИЧИНЫ V, Umax и Км в (19) на р,, рт и Ks соответственно, то получим
соотношение Моно (14), которое уже было введено нами ранее и графически
представлено на рис. 10.2. Микроорганизмы, для которых кривая зависимости
между ц и s имеет большой начальный наклон, обладают высоким сродством к
лимитирующему субстрату. И наоборот, микроорганизмы, для которых эта
кривая пологая, обладают низким сродством, и в таких культурах будут
наблюдаться более высокие остаточные концентрации субстрата.
При непрерывном культивировании в хемостате конкуренция между двумя
видами микроорганизмов за один лимитирующий субстрат определяется обычно
именно их сродством к этому субстрату, а не максимальной удельной
константой скорости роста цш. При стационарном режиме в простом хемостате
без повторного использования биомассы концентрация лимитирующего
субстрата равна
(21)
И-т &
где D - скорость разбавления. Из этого соотношения видно, что
концентрация лимитирующего субстрата в стационарном состоянии зависит от
скорости образования клеток за счет роста, которая в точности равна
скорости разбавления, и от параметров,
412
Глава 10
характеризующих рост данного микроорганизма. Ясно, что параметры,
характеризующие рост разных микроорганизмов на одном и том же субстрате,
вряд ли будут одинаковы. Предположим, что мы имеем культуру
