1347

Глава 22. Оборудование для ведения процессов ферментации

РАЗДЕЛ В

Oборудование для ведения биотехнологических процессов

Биотехнологические процессы основаны на законах биохимии и биофизики. Такие процессы возникают при определенных условиях, обеспечивающих необходимые соотношения между энергией активации и энергией теплового движения молекул или их отдельных звеньев, вызывающей разрыв связей, существующих между отдельными звеньями молекул и их переориентацию. В зависимости от видов воздействий биотехнологические процессы можно разделить на биохимические и микробиологические.

Биохимические процессы основаны на использовании биологических катализаторов (ферментов), в присутствии которых возникают биохимические превращения биологических материалов (коагуляция белков, гидролиз углеводов и др.). Ферменты вводят в биологические материалы при помощи гидромеханических процессов, или они могут быть естественными компонентами биологического сырья.

Микробиологические процессы основаны на необратимых биокаталитических превращениях биологических материалов за счет ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Жизнедеятельность микроорганизмов протекает в средах, содержащих питательные вещества.

Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов. Ньютон Исаак (1643–1727), английский физик, математик, астроном

Глава 22 Оборудование для ведения процессов Ферментации

Ферментация – процесс, основанный на использовании биологических катализаторов (ферментов) и предназначенный для изменения состава компонентов и свойств биологических материалов. Ферменты представляют собой высокомолекулярные вещества биологического происхождения (белки), катализирующие биохимические процессы.

Ферменты играют важную роль в регуляции клеточного обмена веществ. Регуляция ферментативной активности осуществляется под действием температуры, рН среды, концентрации субстрата, специфических активаторов или ингибиторов. Особую роль в регуляции обменных процессов играют регуляторные ферменты, к которым относятся: аллостерические ферменты, активность которых измеряется с помощью нековалентно связываемых аллостерических модуляторов; ферменты, изменяющие свою активность путем ковалентной химической модификации.

Солодоращение – процесс искусственного проращивания зерна с целью накопления в нем максимального количества активных ферментов и растворения части крахмала и других веществ.

Мыслю – следовательно существую. Декарт Рене (1596–1650), французский философ и математик

22.1. Научное обеспечение процессов ферментации

К процессам ферментации пищевых сред приложимы общие принципы химической кинетики. Однако у этих реакций имеется отличительная особенность, оказывающая существенное влияние на кинетические закономерности действия ферментов – образование комплекса фермент-субстрат. Скорость ферментативной реакции зависит от химической природы субстрата и условий взаимодействия с ним фермента (температуры, рН, сопутствующих веществ), от концентрации фермента и субстрата.

Скорость процессов ферментации выражается через скорости уменьшения концентрации С₁ расходуемых компонентов или через скорости уменьшения концентрации продуктов их превращений С₂ в биологических материалах: или .

Общее кинетическое уравнение для процессов ферментации имеет вид:

,

где С₁, С_н – соответственно текущее и начальное значение концентрации расходуемого компонента; С_т – текущее значение концентрации фермента; К_ф – коэффициент скорости ферментации, зависящий от температуры и рН; К_п – константа, зависящая от природы расходуемого компонента;  — продолжительность снижения концентрации расходуемого компонента от С_н до С₁.

Зависимость скорости процесса ферментации от текущего состояния системы субстрат – микроорганизмы характеризует кинетику этого процесса. Кинетическое уравнение для стадий размножения и отмирания микроорганизмов имеет линейный характер:

,

где dz/d – скорость изменения численности микроорганизмов в единице объема субстрата; К_м – коэффициент скорости процесса ферментации (имеет положительный знак для стадии размножения и отрицательный для стадии отмирания).

Любая биотехнологическая система включает ряд аппаратов, связанных общими технологическими потоками, в которых протекают различные процессы переработки исходного сырья в целевые продукты. В любой биотехнологической системе обязательно присутствует подсистема ферментации.

Модель процесса биосинтеза обычно представляют в виде системы дифференциальных уравнений материального баланса, описывающих динамику изменения концентраций биомассы, субстратов или основных продуктов метаболизма. В необходимых случаях система может быть дополнена уравнениями теплового баланса и представлена в виде

,

,

,

,

где X, S, P – концентрации биомассы, субстрата и продукта метаболизма, г/л; V – объем культуральной жидкости в ферментаторе, л; t – продолжительность ферментации, ч;  и – удельные скорости роста и автолиза биомассы, ч^–1; F и F₀ – скорости добавления питательной среды и отбора культуральной жидкости из аппарата (для полунепрерывных и непрерывных процессов), л/ч; S₀ – концентрация субстрата в подаваемой питательной среде, г/л; q_s и q_p – удельные скорости потребления субстрата и образования продукта метаболизма, ч^–1; и – скорости образования (или разложения) субстрата и продукта метаболизма, г/(лч); и – скорости массопередачи субстрата и продукта метаболизма из газовой фазы в жидкую, и наоборот, г/(лч).

Модель может учитывать влияние не одного, а нескольких субстратов, а также образование различных продуктов метаболизма. В правую часть уравнений, помимо параметров состояния Х, S, V, F и управляющих переменных F₀, S₀, входят переменные, характеризующие кинетику основных реакций, протекающих в аппарате. При этом , , , , q_s, q_p отражают кинетику различных биохимических превращений, а и – кинетику массообмена субстратов и продуктов метаболизма (чаще всего кислород и диоксид углерода). Эти величины обычно не являются константами и зависят от технологических параметров.

Совесть – когтистый зверь, скребущий сердце. Пушкин Александр Сергеевич (1799–1837), русский поэт