Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
биореакторов, в частности в колонных аппаратах и в циклических системах
под давлением, создаются значительные градиенты как физических
параметров, так и концентраций питательных веществ. Если экономические
преимущества подобных систем над более привычными достаточно велики, то
для достижения высокой экономичности процесса в целом крайне важно, чтобы
в нем принимали участие микроорганизмы, сохраняющие высокую
продуктивность в быстро меняющихся условиях.
В заключение следует отметить, что в последнее время не уделялось
достаточно внимания использованию в промышленных биотехнологических
процессах смешанных, неприхотливых культур определенного состава.
Впрочем, даже в процессах, осуществляемых при участии таких культур,
значительные изменения условий могут приводить к нарушению равновесия в
соотношении между разными микроорганизмами, составляющими эти смешанные
популяции.
10.3. Технологические факторы, влияющие
на производительность и экономичность процесса
Любой процесс, в котором участвуют микроорганизмы, независимо от способа
его осуществления можно отнести к одной из двух категорий, определяемой
характером поставленной задачи: 1) получение нужных микроорганизмов; 2)
осуществление определенных химических превращений.
Последний тип процессов можно подразделить еще на два класса: а)
получение нужного конечного продукта; б) переработка сырья.
Все процессы, осуществляемые с целью химического превращения, обладают
одной общей особенностью, резко отличающей их от процессов, цель которых
- получение микробной биомассы: микроорганизмы, осуществляющие данное
превращение, не обязательно должны при этом находиться в состоянии роста.
Этот аспект нередко недооценивается, хотя общеизвестно, что
Химическая технология и биотехнология
417
химические превращения могут осуществляться даже микроорганизмами, уже
потерявшими жизнеспособность. За такие превращения ответственны клеточные
ферменты. Совершенно очевидно, что для контролируемого осуществления
многих превращений с самым высоким выходом лучше всего использовать
иммобилизованные покоящиеся клетки или иммобилизованные ферменты,
выделенные из этих клеток. Роль таких систем при проведении некоторых
превращений в промышленных масштабах становится все больше, однако при
этом возникают проблемы, связанные со стабильностью подобных
биокаталитиче-ских систем, регенерацией кофакторов и с диффузией.
Наиболее широко применяемой в промышленных масштабах технологией остается
химическое превращение, осуществляемое растущими культурами
микроорганизмов. С биохимической точки зрения микробиологические процессы
можно подразделить на две основные категории: катаболические, в ходе
которых сложные соединения расщепляются до более простых, и
биосинтетические, в ходе которых сложные соединения образуются из более
простых.
В основе любого процесса, протекающего при участии микроорганизмов, лежит
та или иная реакция или последовательность реакций. Тем не менее при
реализации этого процесса в промышленном масштабе лимитирующим фактором,
как правило, оказывается не кинетика этой реакции или последовательности
реакций, а другой, на первый взгляд менее существенный фактор, который и
определяет возможности использования данного процесса в промышленности.
Ключевыми факторами, влияющими на экономичность процесса в биореакторе,
являются производительность и степень превращения, а они в свою очередь
определяются теми физическими факторами, от которых зависит теплопередача
и перенос массы. К этим факторам относятся: 1) гидродинамические
свойства суспендированных микроорганизмов; 2) реологические свойства
культуральных сред; 3) электрокинетические свойства микроорганизмов; 4)
давление; 5) поверхностные и пристеночные эффекты, а также эффекты,
возникающие на границе раздела фаз; 6) эффекты, связаные с наличием
нескольких фаз в потоке; 7) флотационные, седиментационные и
сегрегационные эффекты.
Интересно было бы обсудить, какую же реальную информацию о любом из этих
факторов и/или их влиянии на рост микроорганизмов или на образование
продукта могут дать микробиологические исследования процессов,
протекающих с участием микроорганизмов.
27-1344
418
Глава 10
10.3.1. Классификация биореакторов и их производительность
Химические реакции можно классифицировать по-разному. Если иметь в виду
выбор конструкции реактора, то, вероятно, наиболее полезной будет
классификация, основанная на том, в однофазной или в многофазной среде
протекает данная реакция. Реакции, идущие в однофазной среде, называются
гомогенными, а в многофазных - гетерогенными. Для большинства
ферментативных реакций и многих реакций, протекающих при участии
микроорганизмов, подобная классификация не является однозначной,
поскольку они занимают весьма обширную область между гомогенными и
гетерогенными реакциями. Чтобы упростить классификацию биохимических
реакций, условились считать реакционные системы, в которых существуют
