Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методика лабораторного культивирования аэробных микроорганизмов и определение энергетических параметров микробного роста. Учебное пособие
.pdf
12
Характерное время развития
10
8
6
4
Функция F
2
0
0 2 4 6
популяции, час
Рис.3.1 Оценка энергетических параметров процесса роста
этанолокисляющих дрожжей
Как следует из графика (рис.3.1), продолженного до оси
ординат, EX = 2,37 мольАТФ / мольАСБ , e равно тангенсу угла
наклона линии графика к оси абсцисс и составляет 1,683
мольАТФ/мольАСБ·час (данные получены с использованием
метода наименьших квадратов).
Нулевая точка вышеприведенной зависимости
физически не реализуема, т.к. достигается при бесконечно
большом значении удельной скорости роста.
Уравнения, аналогичные (3.20), могут быть получены и
для других пар метаболических скоростей, если вместо
выражения для RQ (
например, RS /R
O
3.19) рассматривать другие отношения,
. П
орядок действий по определению значений
неизвестных параметров EX и e при этом не изменится.
60
После нахождения величин параметров e и E
час
могут
X
быть рассчитаны все метаболические скорости (для любого
значения µ). Например, для µ = 0,4 час-1 и концентрации
биомассы 10 гАСБ/л из выражений (3.7), (3.11), (3.15)÷(3.17)
получаем:
S
O
C
/
S
VRr
/
O
C
N
N
683,1
L
8
часлмоль
⋅=
/295,0
⋅
==
L
L
/133,0
L
6683,1
8
( )
часлмоль
⋅=
37,2
++==
1
8
16
⋅
+⋅+
часлмольчаслг
⋅=⋅=
/263,0/421,8
⋅⋅+==
4,037,2683,1/
23
4,0
74,24
37,2
−
8
⋅
4,04282,4
44
⋅
74,248
лгVRr
⋅=⋅⋅
/776,610
(3.21)
32
⋅
⋅
⋅
10
74,244
(3.22)
часлгVRr
⋅=⋅
/849,510
(3.23)
часлгVRr
⋅=⋅⋅⋅==
/456,074,24/17104,01662,0/
(3.24)
часлмоль
⋅=
/027,0
(3.25)
часлмольчаслгVRr
X
L
X
⋅=⋅=⋅== /162,0/4104,0/
Полученные расчетные значения метаболических
скоростей целесообразно сравнить с данными прямых
измерений с целью оценки корректности определения
энергетических показателей процесса роста. Например,
экспериментально определенное по объему поданного раствора
аммиака значение r
составило 0,469. П
N
огрешность равна: δ =
100·(0,469 – 0,456)/0,456 = 2,85 %. Очевидно, это связано с
61
незначительным образованием кислых продуктов или
⇒
⋅+⋅+⋅
K
⇒
⋅+⋅
+
углеаммиакатов (аммонийных солей угольной кислоты).
Подставим найденные величины скоростей (3.21-3.25),
выраженные в молях, в суммарное уравнение стехиометрии
процесса роста дрожжей Candida lambica ВСБ-579:
NH0,027 O0,263 OCH 0,295
320,53
OH0,337 CO0,133 ONCH 0,162
⋅+⋅+⋅
220,440,16621,8067
(3.26)
Коэффициент при молекуле воды рассчитывается по
балансу числа атомов водорода.
Если выполнить расчет отношений метаболических
скоростей образования или расхода веществ «K» к с
корости
роста биомассы в размерности (моль K / моль АСБ), то получим
непосредственно значения стехиометрических коэффициентов в
суммарном уравнении материального баланса, записанного
относительно одного условного моля биомассы:
x
β
K
K
X
KKX
X
)/()/()/()/(
MMrrMMRR ⋅=⋅=
(3.27)
KX
где: K – символ компонента.
По приведенным выше численным значениям
метаболических скоростей рассчитаем по формуле (3.26) и
запишем значения величин
x
β
перед символами условных
молекул K-тых веществ в уравнении стехиометрии процесса
роста, а перед символом условного моля биомассы проставим 1
(отношение величины скорости роста биомассы к самой себе
равно 1):
NH0,166 O1,623 OCH 1,821
320,53
62
⋅+⋅+⋅
OH2,080 CO0,821 ONCH1,000
220,440,16621,8067
(3.28)
где: 821,1/ ==
X
XxX
H
x
β
S
x
β
C
rr
XS
rr
821,0/ ==
XC
; 000,1/ ≡=
x
; 623,1/ ==
β
O
β
rr
XO
rr
x
; 166,0/ ==
β
N
x
; 080,2=
β
rr
XN
–
рассчитывается по балансу атомов водорода.
Результат стехиометрического расчета будет
корректным, если соблюдаются условия лимитирования роста
микроорганизмов концентрацией субстрата – источника
углерода и энергии, и значимого образования и накопления в
культуральной жидкости побочных недоокисленных продуктов
не происходит.
Если же будет иметь место существенное отклонение
характера зависимости, представленной на рис.3.1, от
линейности, то, скорее всего, образуются побочные продукты.
Например, в случае культивирования этанолокисляющих
дрожжей, это может быть уксусная кислота. В таком случае
стехиометрические уравнения, описывающие рост культуры,
должны быть дополнены уравнениями синтеза (и возможного
вторичного потребления) экзометаболитов. Наконец, при
использовании сложных сред природного происхождения, из
исходной среды может потребляться некоторая смесь ростовых
факторов, например, аминокислот, что также отразится на
стехиометрии процесса. В таком случае может потребоваться
хроматографический контроль входного потока среды и
выходного потока культуральной жидкости на содержание
дополнительных компонентов.
Таким образом, для расчета стехиометрии процесса
роста аэробных микроорганизмов, не осложненного
образованием недоокисленных продуктов, требуется измерение
(в периодическом процессе с усреднением на заданных
интервалах, например 10 минут, а при реализации непрерывного
процесса – при нескольких стационарных режимах протока)
всего пяти величин – избыточного давления (манометр И6) и
температуры (термометр И7) отработанного воздуха,
;
63
концентрации в нем кислорода и углекислого газа
(газоанализаторы И10 и И11), и атмосферного давления (барометр
И12). При этом надо знать средний элементный состав биомассы.
Теоретическая оценка затрат энергии на синтез
биомассы. Возможность приближенного теоретического расчета
энергии, необходимой для биосинтеза микробной массы
вытекает из закона Гесса: энтальпия (теплота) образования
химического соединения равна сумме энтальпий образования
продуктов его сгорания за вычетом энтальпии сгорания данного
соединения. Учитывая, что энтальпии образования углекислого
газа, воды и аммиака соответственно равны h
h
= 286 к
Н
дж/моль, h
АТФ составляет около h
= 46 кдж/моль, а энтальпия гидролиза
N
= 20,95 кдж/моль [2], получаем:
F
= 394 кдж/моль,
C
hS = hC + (q/2) · hН – HS;
hX = hC + [(d – 3 · c)/2] · hН + c · hN – HX (3.29)
Если в качестве субстрата используется этанол
(приведенная формула к одному атому углерода: СH3O
), то h
0,5
= 145,6 кдж/моль. На основании известного состава биомассы
получаем h
Казалось бы, EX = hX / h
= 88,74 кдж/моль.
X
= 4,236 моль АТФ/моль АСБ. В
F
действительности, это, возможно, имело бы место, если бы
степени восстановленности субстрата и биомассы были бы
одинаковы и энергетический КПД процесса биосинтеза
(пластического обмена) был бы равен 1 (в действительности он
имеет значение около 0,93 – 0,96). Кроме того, энергетическая
эффективность преобразования молекул субстратов
определяется конкретными метаболическими путями. Поэтому
теоретически строго определить затраты АТФ на рост биомассы
по величинам энергий образования веществ не удается.
угой стороны, минимальное значение затрат энергии
С др
на рост биомассы не может быть меньше, чем затраты
макроэргических соединений на синтез одного грамма биомассы
64
S
из готовых мономеров – аминокислот, пуриновых и
= 10,5 гАСБ/моль АТФ (3.30)
пиримидиновых оснований, которые постоянны и являются по
определению «биологической константой» [5] :
Y
= MX / EX = MF · RX / R
max
F
Это приводит к значению E
= 2,357 моль АТФ / моль
X
АСБ.
Полученное экспериментально значение величины EX =
2,37 мольАТФ/мольАСБ соответствует теоретически
определенному диапазону 2,357 - 4,236 мольАТФ/мольАСБ.
65
4 ПРИМЕР РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА МИКРОБНОГО РОСТА
Расчет выполнен для процесса культивирования cтрогого
аэроба Candida Lambica ВСБ-579 на основе данных модельного
примера (3.21) – (3.25) при µ = 0,4 час-1 и x = 10 г АСБ/л.
Экономические коэффициенты по субстрату и кислороду
рассчитываются как отношения скорости накопления биомассы
к массовым скоростям расхода компонентов:
590,0776,6/104,0/
/
/
rrY , г АСБ/г S
SXSX
rrY ,
OXOX
=⋅==
г АСБ / г О2
475,0421,8/104,0/
=⋅==
Продуктивность биореактора по биомассе, согласно
формуле (2.39):
Р
= µ · x
X
= 0,4 · 10 = 4,0 г АСБ/л·час
Удельная теплопродукция, согласно формуле (2.37):
)//(36,31
=⋅−⋅⋅=
q
S
γγ
MrMrr
XXXSS
=⋅−⋅⋅
вт/л98,32)74,24/0,44282,423/776,66(36,31
Энергетический КПД процесса биосинтеза, согласно
формулам (2.34) и (2.38):
)//()/()//()/(
=⋅⋅=⋅⋅=
γγγγη
405,0)23/776,66/()74,24/0,44282,4(
=⋅⋅
MrMrMRMR
SSSXXXSSSXXX
66
5 РОСТ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В УСЛОВИЯХ
ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ КИСЛОРОДОМ
Рассмотрим типичную кривую периодического процесса
роста дрожжей в аэробных условиях (рис. 5.1)
Биомасса,
гАСД/л
25
20
15
10
Экспоненциальный рост
Xm– предельная биомасса, рассчитанная в соответствии с механизмом переноса кислорода
«газ – жидкость – клетка»
pO
2
Линейный рост
x
Расчетная кривая x(t)
Кислород,
м
г/л
8,0
6,4
4,8
3,2
1,6
5
0
0
0 2 4 6 8 10
Время, час.
1,6
Рис.5.1 Динамика концентраций биомассы и растворенного
кислорода в периодическом процессе культивирования дрожжей
Candida lambica ВСБ-579.
До достижения некоторой величины биомассы X
транспорт к
ислорода к клеткам осуществляется по механизму
m
«газ-жидкость-клетка», общепринятому при описании
массообмена кислорода. Однако, с ростом концентрации
67
биомассы все большая часть поверхности пузырьков воздуха
«экранируется» пленкой жидкости с высокой концентрацией
микробных клеток. Связан этот процесс с флотацией биомассы.
Через некоторое время роста вся поверхность газовых
пузырьков экранирована клетками и концентрация
растворенного кислорода в ядре потока становится равной
нулю. Содержащиеся в ядре потока взвешенные клетки
микроорганизмов не могли бы существовать, если бы
поверхность раздела фаз постоянно не обновлялась за счет
аэрации, благодаря чему все клетки популяции
микроорганизмов периодически получают доступ к кислороду.
Рассмотрим стационарный режим процесса. Для
простоты решения задачи разностью величин входного и
выходного газового потоков пренебрегаем.
Скорость доставки кислорода из газовой фазы:
⋅⋅=
,0(32
)21
YvG −
22 OGO
(
5.1)
где YO2 – мольная доля кислорода в выходном газовом потоке.
Скорость абсорбции кислорода культуральной жидкостью:
VcHeYPaKU ⋅−⋅⋅= )/(
22
LOFLO
(5.2)
Скорость потребления кислорода микроорганизмами:
VxR ⋅⋅⋅+= )(
µβα
222
LOOO
(5.3)
В стационарных условиях значения всех этих скоростей
одинаковы:
RUG ==
222 OOO
(5.4)
Изменение характера транспорта кислорода, связанное с
полным прекращением кислородного питания части клеток,
68
находящейся в ядре потока, наблюдается при с = 0. Приравнивая
величины U
Y
=
O
2
+
1
32
O2
⋅
21,0
⋅
He
и G
PaK
O2
V
⋅
v
получаем:
32
+
LL
+
1
G
32
⋅
⋅
⋅
He
VaK
LL
v
G
PaK
c
⋅
V
LL
⋅
v
G
(5.5)
Откуда, подставляя с = 0, имеем следующее выражение для
мольной доли кислорода в отработанном воздухе:
min
Y
=
O
2
1
21,0
PaK
⋅
⋅
⋅
He
+
32
(
V
LL
v
G
5.6)
Приравнивая выражения (5.1) и (5.3) и учитывая, что µ·х = dx/dt,
получим уравнение роста концентрации биомассы. Тогда рост
биомассы микроорганизмов при отсутствии кислорода в ядре
потока описывается следующим уравнением:
dx
dt
32
v
G
⋅⋅=
V
L
Y
−
)21,0(
α
O
β
O
2
O
2
2
β
O
2
(5.7)
x
⋅−
Тогда рост биомассы микроорганизмов при отсутствии
кислорода в ядре потока опишется следующим уравнением:
x
⋅−
F
(5.8)
dx
dt
где x
32
– м
F
in
m
)21,0(
v
G
⋅⋅=
V
L
Y
−
O
β
O
2
α
2
O
2
β
O
2
инимальная концентрация биомассы, при которой
наступает полное экранирование поверхности пузырьков
69
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]