Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Результаты исследований П. И. Пономарева и Ю. Л. Гуревича (1977) дают несколько другую картину. На рис. 19 они выражены в виде прямых, которые могут быть интерпретированы уравнением Пирта:
1/у = m/ц + 1/у1, (11)
где 1/у1 — затраты на рост; т — затраты на поддержание (движение, транспорт и т. д.).
Если данные Л. Бонджерса выразить подобным же образом, то получим группу линий, показанную на том же рис. 19 пунктиром.
Рис. 19. Динамика эффективности использования кислорода водородными бактериями при лимите по 02, С02 и Н2 на протоке.
41
Результаты П. И. Пономарева отличаются от данных JI. Бонджерса по двум пунктам. Во-первых, по сильному влиянию водородного лимита на эффективность. Этот факт подтверждается также Г. Шлегелем и др. (1971), показавшими, что в хемостатной культуре при лимитировании водородом эффективность превращения энергии вдвое ниже, чем при лимитировании кислородом. Во-вторых, при лимитировании кислородом (по П. И. Пономареву) эффективность имеет тенденцию к повышению, в то время как у JI. Бонджерса она сохраняется на прежнем уровне. У некоторых микроорганизмов действительно наблюдаются факты повышения эффективности окислительного фосфорилирования при пониженной аэрации [Acrell, Jones, 1971], хотя часто встречается и обратное явление: при пониженных концентрациях кислорода происходит замена дыхательных цепей с более на менее эффективные. Однако в этом отношении график П. И. Пономарева при лимите по 02 выглядит неубедительно. Расхождение значений 1/уо2 при лимитах по 02 и Н2 в области максимальных удельных скоростей роста, когда специфика лимита должна иметь минимальное выражение, маловероятно. Кроме того, общий уровень эффективности в опытах П. И. Пономарева довольно низок, так что возможно присутствие неучтенного лимита. Таким образом, наиболее достоверной в работе П. И. Пономарева и Ю. JI. Гуревича (1977) можно считать зависимость константы урожая от удельной скорости роста при лимите С02 и Н2, выраженную уравнением
1/Yo, = 2,4 + 0,68/jx. (12)
Разные авторы дают различные максимальные величины константы урожая по кислороду. У JI. Бонджерса [Bongers, 19706] она максимальна — 0,63, у Я. В. Семенова и др. (1972) — 0,43, Я. В. Войтович и др. (1971) — 0,28, И. Гото и др. [Goto е. а..
1977 ] — 0,2 г сух. биомассы на
Таблица 3
Величина коэффициента массопе-редачи kLa, необходимого для обеспечения удельной скорости роста (1 при различной концентрации клеток х
—1 и, ч X, г/л
10 20 30 40
0,1 446 893 1340 1785
0,2 893 1785 2678 3571
0,3 1340 2678 4017 5357
0,4 1785 3571 5357
1 г потребленного 02.
В настоящее время трудно сказать, в какой степени этот разброс связан со штаммовыми различиями и в какой степени он зависит от физиологического состояния культуры, т. е. от факторов, пока не учитываемых экспериментаторами. Очевидно также, насколько важно достижение ясности и понимания в этом вопросе для организации стабильного и предсказуемого высокоэффективного процесса биосинтеза на водороде.
42
Выражение (10) позволяет оценить массопередаточные характеристики аппарата для культивирования водородных бактерий. Приняв коэффициент урожая по 02 равным 0,3 г био-массы/г 02; р02 = 0,2 атм, Н = 0,0373 г/атом, получим величину kLa аппарата, необходимую для обеспечения заданных удельных скоростей роста при заданных концентрациях клеток в культуре (табл. 3). Реально достижимые в промышленных аппаратах величины kLa (обведены в таблице) позволяют выбрать реальные режимы культивирования и оценить максимально достижимую продуктивность процесса в 4 кг/м3-ч. Дальнейшее повышение продуктивности при kLa <С 2000 возможно за счет либо повышения парциального давления 02 в суспензии (путем повышения давления газа в аппарате), либо увеличения константы урожая по 02.
ПОТРЕБЛЕНИЕ ВОДОРОДА КУЛЬТУРОЙ ВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ
Водород при хемоавтотрофном росте является донором электронов и протонов для электронтранспортных систем. Он активируется водородными дегидрогеназами. Для Alcaligenes eutrophus показано участие в активации водорода двух дегидрогеназ: растворимой с кт для водорода 250 [хМ и мембраносвязанной с Кт 25—60 }хМ H2[Schlegel, 1976].
Суммарная реакция окисления водорода на 1 моль потребляемой углекислоты соответствует
и(2Н2 + 02) -> 2иН20 + и113,6 ккал. (13)
Концентрация водорода в газовой фазе может широко изменяться без воздействия на продуктивность, если нет лимитирования. Фактов ингибирования роста избытком водорода не наблюдалось.
Зависимость интенсивности роста от концентрации водорода в газовой фазе дана в работе Я. В. Войтович и др. (1971) (рис. 20). Эта зависимость снята на установке с kLa по кислороду 4500 ч-1. При низких плотностях популяции (1—2 г/л) зона лимитирования продолжается до 30% Н2, при плотности
5,5 г/л — во всем рабочем диапазоне концентраций водорода. С возрастанием рН2 наблюдается увеличение [х, т. е. насыщения водородом не достигается. В зоне лимитирования зависимость Ц (рН2) имеет линейный характер.
Такие понятия, как «критическая концентрация», «константа Урожая», а также основные законы газовой адсорбции применимы и к водороду. По графику рис. 20 можно приблизительно оценить эти величины, допустив, что текущая величина Сн2 в растворе близка к 0. Тогда Сн2крш, =Яна-0,Затм = = 1,52 мг/л-атом-0,3 = 0,456 мг/л, или 218 цМ. Эта величина
