ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ:

• По целевому продукту

• По основной фазе

• По отношению к кислороду

• По отношению к свету

• По степени защищённости от посторонней микрофлоры

• По числу видов микроорганизмов

• По способу организации процесса

ЦЕЛЕВОЙ ПРОДУКТ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ

• Биомасса микроорганизмов (выращивание, культивирование)

• Внеклеточные или внутриклеточные продукты метаболизма (процессы биосинтеза)

• Утилизация определённых компонентов исходной среды (биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование)

ОСНОВНАЯ ФАЗА ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

• ПОВЕРХНОСТНАЯ (твердофазная) ферментация

• ГЛУБИННАЯ (жидкофазная) ферментация

• ГАЗОФАЗНАЯ ферментация

ОТНОШЕНИЕ К КИСЛОРОДУ

• АЭРОБНАЯ ферментация (требуется непрерывная аэрация в ходе процесса)

• АНАЭРОБНАЯ ферментация (протекает без доступа кислорода)

• ФАКУЛЬТАТИВНО-АНАЭРОБНАЯ (на разных стадиях процесса условия аэрации разные)

ОТНОШЕНИЕ К СВЕТУ

• Темновые (хемотрофные) ферментации

• Световые (фототрофные или фотозависимые ферментации)

ЗАЩИЩЁННОСТЬ ОТ ПОСТОРОННЕЙ МИКРОФЛОРЫ

• Асептическая ферментация (в среде полностью отсутствует посторонняя микрофлора). Неправильный термин – «стерильная» ферментация

• Условно-асептическая

• Неасептическая

СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

• Периодические

• Непрерывные

• Многоциклические

• Отъёмно-доливные

• Периодические с подпиткой субстрата

• Полунепрерывные с подпиткой субстрата

МИКРООРГАНИЗМЫ-ПРОДУЦЕНТЫ

• Монокультура («чистая» культура) – содержит только один микроорганизм-продуцент

• Смешанное культивирование – совместное развитие ассоциации двух или более культур

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СПОСОБ

• 0 – tо - подготовка аппарата

• tо - загрузка среды

• tи - внесение посевного материала

• tк - окончание процесса, выгрузка к.ж.

НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ

В непрерывном процессе загрузка среды совмещена во времени с выгрузкой из аппарата культуральной жидкости, объём которой в аппарате постоянен

МНОГОЦИКЛИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

При выгрузке в аппарате оставляют часть культуральной жидкости, которая служит посевным материалом для следующего цикла

ОТЪЁМНО-ДОЛИВНОЙ СПОСОБ

Напоминает многоциклический, но объём периодически отбираемой жидкости меньше (20-30% против 90-95%), а частота отборов больше. При этом процесс протекает более интенсивно по сравнению с периодическим.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС С ПОДПИТКОЙ СУБСТРАТА

Часть среды загружается в аппарат сразу, затем среда (или какой-то её компонент) подаются непрерывно или дробно до тех пор, пока объём жидкости достигнет максимума. Окончание – как в периодическом процессе.

ПОЛУНЕПРЕРЫВНЫЙ С ПОДПИТКОЙ СУБСТРАТА

• В этом процессе производятся отборы части культуральной жидкости как в отъёмно-доливном способе, но подпитка подаётся непрерывно, а частота отборов регулируется временем достижения максимального объёма

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ

• Х – концентрация биомассы микроорганизмов

• S – концентрация субстрата (или его основного компонента)

• Р – концентрация продукта метаболизма

• Одним из субстратов является кислород,

одним из продуктов – углекислый газ

ФАЗЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ

• Лаг-фаза

• Фаза ускорения роста

• Фаза экспоненциального роста

• Фаза замедления роста

• Стационарная фаза

• Фаза отмирания

ФАЗЫ РОСТА БИОМАССЫ

ФАЗЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ

• Лаг-фаза - I

• Фаза ускорения роста - II

• Фаза экспоненциального роста -III

• Фаза замедления роста - IV

• Стационарная фаза - V

• Фаза отмирания - VI

ПОЛУЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ

КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

• Q_X = dX/dt – общая скорость роста биомассы

• Q_S = dS/dt – общая скорость потребления субстрата

• Q_P = dP/dt – общая скорость накопления продукта метаболизма

СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РОСТА БИОМАССЫ

Представлены два процесса, в которых Qx одинаково и равно:

(ΔХ /Δt)

Но в первом процессе этот результат даёт значительно меньшее количество биомассы, т.е. она при этом более активно «работает»

УДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ РОСТА БИОМАССЫ

• μ =Qx / X = dX /X*dt

• dX / dt = μ*X

• Удельная скорость роста лучше отражает физиологическое состояние биомассы, чем общая скорость роста Qx

• При постоянном μ: X = X₀*e^μt

• После логарифмирования: lnX = lnX₀ + μ*t

ОПРЕДЕЛЕНИЕ μ ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА

• На участке экспоненциального роста можно рассчитать величину μ по двум точкам, зная концентрации биомассы в два момента времени: μ= (lnX₂ – lnX₁) / (t₂ – t₁)

• Размерность μ – [ч^-1]

• Обычно в ходе процесса величина μ заметно изменяется по фазам развития культуры. В фазе отмирания μ приобретает отрицательное значение

ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ μ В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ

ВРЕМЯ ГЕНЕРАЦИИ

• Временем генерации g называют период времени, за который биомасса культуры удваивается. Если при t =0 величина X =X0, то при t = g соответственно X=2X0

• При постоянном μ из уравнения для роста биомассы получаем:

• g = ln2/μ = 0,69 / μ

УДЕЛЬНЫЕ СКОРОСТИ

• Удельная скорость потребления субстрата: q_S = Q_S / X = - (dS/dt) / X

• Удельная скорость биосинтеза продукта метаболизма: q_P = Q_P / X = (dP/dt) / X

• В обоих случаях используются удельные скорости по отношению к биомассе, поскольку и субстрат сам себя не потребляет, и продукт сам себя не синтезирует

МАКРОСТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ФЕРМЕНТАЦИИ

• Макростехиометрические показатели устанавливают взаимосвязь между приростами биомассы, продукта и расходованием субстрата

• Приросты могут быть взяты за весь период ферментации или за любой произвольно взятый промежуток времени Δt определены соответствующие значения ΔX, ΔS и ΔP (в том числе и бесконечно малые приращения dX, dP, dS и dt)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИРАЩЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

ВЫХОД БИОМАССЫ ПО СУБСТРАТУ

• Выход по субстрату Y_xs (или экономический коэффициент, или коэффициент выхода) чаще всего определяют по формуле Y_xs = X_к / S₀, где X_к – концентрация биомассы в конце, а S₀ – субстрата в начале процесса

• Более точно Y_xs = (X_к - X₀) / ( S₀ -S_к), где X₀ – концентрация биомассы в начале, а S_к – субстрата в конце процесса

• Размерность: [г биомассы /г субстрата]

КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЫХОДА ПО ПРОДУКТУ

• Для продукта метаболизма P можно рассчитать коэффициент выхода по субстрату YPS:

• Y_PS = (P_К - P₀ ) /(S₀ - S_К ), [г продукта /г субстрата]

• Или коэффициент выхода по биомассе:

• Y_PX = (P_К - P₀ ) /(X_К - X₀), [г продукта /г биомассы]

МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

• В некоторых случаях удобно использовать обратные значения коэффициентов выхода:

• Y_sx = 1/Y_XS и Y_SP = 1/Y_PS

• Эти коэффициенты («метаболические» или «трофические») физически отражают нормы расходования субстратов на образование биомассы или продуктов метаболизма

НЕДОСТАТКИ МАКРОСТЕХИОМЕТРИИ

• При вычислении «парных» соотношений между компонентами биотехнологических превращений не принимается во внимание вся схема реакций и, например, весь расход субстрата «списывается» на один только компонент (биомассу или продукт)

• «Настоящая» стехиометрия точнее