Биотехнология малотоннажного производства микробного протеина - Стахеев И.В.
ISBN 5-343-00786-4
Скачать (прямая ссылка):
Института физики им. JI. В. Корейского Сибирского Отделения Академии наук
СССР. Однако квазинепрерывный метод еще не получил промышленного
применения.
Показателем работы системы подачи воздуха аппарата для культивирования
микроорганизмов может служить величина объемного коэффициента
массопередачи Kv- Коэффициент характеризует количество кислорода в 1 мг,
передаваемое 1 мл жидкой среды за 1 ч( при разности равновесной и рабочей
концентраций его в среде 1 мг/мл. Измеренные величины Kv У ферментеров
глубинных культур различных микроорганизмов колеблются в пределах 429-
5720 мг/(мл-ч) (Герольд и др., 1966). Объемный коэффициент массопередачи
кислорода можно рассматривать как произведение поверхностного
коэффициента К1 (см/ч) на величину поверхности фазового контакта
пузырьков F (см2) в культуральной среде. Значение Ki у малорастворимых
газов низкое, поэтому на перенос кислорода большое влияние оказывают
фазовая поверхность и скорость массообмена. Косвенное представление об
интенсивности массообмена дает максимально достигаемая концентрация
дрожжей, уменьшающих содержание кислорода в среде. При критической
концентрации последнего размножение дрожжей прекращается.
38
Приток кислорода в течение культивирования существенно воздействует на
физиологическое состояние и обмен веществ аэробных микроорганизмов.
Соотношение между насыщением питательной среды и ассимиляцией кислорода
микроорганизмом может быть изучено по величине объемного коэффициента
массопереноса Kv (Герольд и др., 1966; Blakenbrough, 1972). Скорость
переноса кислорода в глубинном процессе культивирования определяется
действием многих факторов: типом и размером мешалки (Taguchi, Kimura,
1970), ее положением в ферментере, интенсивностью перемешивания, типом
устройства для распределения воздуха и интенсивностью аэрации (Benedek,
Heideger, 1971). Кроме того, скорость массопереноса кислорода является
функцией движущей силы процесса массообмена, обусловленной градиентом
равновесной и рабочей концентрации растворенного в жидкой среде
кислорода. В свою очередь величина равновесной концентрации зависит от
парциального давления кислорода в газовой фазе и физико-химических
свойств культуральной среды, которые определяются ее составом.
Растворимость кислорода зависит от присутствия в среде других
растворенных веществ (Brown, 1970), концентрация которых изменяется.
Поверхностное натяжение жидкой фазы влияет на величину среднего диаметра
пузырьков воздуха, межфазовую поверхность, удержание газа и
газонаполнение (Marru-ci, 1969; Lee, Meyrick, 1970).
Для улучшения массопередачи кислорода в ферментерах разработаны
многочисленные устройства, повышающие степень аэрации и перемешивания
жидкости. Коэффициент массопереноса кислорода Кьа в ферментерах с этими
устройствами составляет около 1000 ч-1 (Перт, 1978). Отмечается, однако,
что и в этих случаях увеличение концентрации клеток в среде с 10 до 20
г/л снижает эффективность массопереноса кислорода с 10 до 6,4 моль
Ог/МДж, что объясняется главным образом возрастанием вязкости
культуральной жидкости (Dewey, Oldshue, 1977).
Установлено (Раса, 1976) соотношение дыхания культуры и выхода биомассы в
процессе периодического и непрерывного хемостатного культивирования в
зависимости от подачи кислорода. На примере бактерии Klebsiella aerogenes
и синтетической среды с глюкозой показано, что дыхание, характеризующееся
скоростью потребления
39
кислорода, является точным параметром для оценки физиологической
активности растущих клеток при различных условиях притока кислорода.
Пониженный приток кислорода в периодических процессах культивирования
является причиной искажений в ходе клеточного дыхания, а при самых
высоких уровнях клеточного дыхания наблюдается самый низкий выход
биомассы. В то же время в непрерывном процессе культивирования самый
высокий выход биомассы достигается при низкой скорости разбавления
культ>ры без ограничения подачи Ог.
Величина коэффициента массопередачи кислорода отражает соотношение между
притоком кислорода и его поглощением микроорганизмом. Измеренная в
динамике роста культуры, она характеризует это соотношение на разных
стадиях роста. В начале культивирования отмечается практически постоянный
уровень коэффициента. Экспоненциальная фаза роста сопровождается его
уменьшением, что объясняется значительным образованием культурой
вторичных метаболитов, особенно летучих кислот. После окончания роста,
обусловленного истощением субстрата, величина коэффициента остается
неизменной (Раса, 1976). Отмечено, что нагревание жидкой среды вызывает
увеличение Кьа пропорционально величине абсолютной температуры среды в
степени 1/2, т. е. при повышении, например, температуры среды от 30 до 40
°С - приблизительно на 13%.
Выяснено неблагоприятное действие поверхностно-активных веществ. Chain и
Gualandi (цит. по Перту, 1978) установили, что при образовании пены
неизвестными агентами при вихревой аэрации среды скорость растворения
