Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Простой расчет показывает, что если содержание углерода и азота в биомассе 49 и 12%, то константа урожая на безмоче-
О
Закаа jss 308
33
Таблица 2 Выцос С02 с протокой питательной среды
Концентрация клеток, г/л
рсо2, % 1 5 10 30 рСО.+рНСО,, М/л
3 33,28 6,65 pH 7,0 3,32 1,109 (0,9+4,3)10-®
5 55,68 11,10 5,57 1,800 (1,5+7,2)10-*
10 110,72 22,15 11,07 3,690 (3,0+14,3)10-*
3 92,80 18,56 pH 7,5 9,30 3,090 (0,9+13,6)10"3
5 155,50 31,10 15,60 5,180 (1,5+22,7)10"3
10 309,60 61,90 30,90 10,320 (3,0+45,4)10-®
Примечание. При расчете взяты константы: Н =0,03 СО*
М/атм-л для 30° С; рК=6,32.
винной среде будет равна: 7Со2 = 0,551, а на мочевинной среде <ус02 = 0,613 г биомассы/ г С02. Однако следует учитывать, что в лимитированном состоянии выход углерода в среду с метаболитами и за счет лизиса отмирающих клеток может стать значительным. Так, И. В. Золотухин (1970) наблюдал повышение расхода С02 в периодической культуре от 0,9 л/г биомассы в экспоненциальной фазе до 1,8 л/г в стационарной фазе. Т. Мо~ ринэга и др. [Morinaga е. а., 1978] наблюдали повышение уСо2 от 0,5 до 0,6 в хемостатной С02-лимитированной культуре.
Расчет уСо2 непосредственно по количеству поглощенного газа требует учета его выноса с протоком питательной среды вследствие его высокой растворимости и диссоциации. Концентрация растворенной углекислоты пропорциональна его содержанию в газовой фазе согласно закону Генри — Дальтона:
Ссо2 = Нсо2 • рС02, (2)
где Ссо2 — концентрация растворенной углекислоты; рС02 — концентрация углекислоты в газовой фазе; Нсо2 — константа Генри, при температуре культивирования 30°С равна 0,030 М/атм-л.
Растворяясь, углекислота образует угольную кислоту, которая, в свою очередь, диссоциирует на бикарбонатные и карбонатные ионы:
Н2С03^НС0Г + Н+;
НС03 ** Н+ + СОГ-
34
С0о,%
Рис. 15. Изменение соотноше-ния неионной и ионной форм растворенной углекислоты с ростом pH в воде.
Рис. 16. Зависимость интенсивности роста водородных бактерий от концентрации С02 в газовой фазе (pH 7,0; t = 30°С) при различных концентрациях клеток.
Концентрация бикарбоната (НС03) определяется pH среды в рС02 по уравнению Гендерсона — Гассельбаха:
lg [НС03-/рС02] = pH - рК, (3)
где К — константа диссоциации угольной кислоты. При pH < 8 концентрация карбонатных ионов незначительна и может не приниматься во внимание. Соотношение неионной и ионной форм растворенной углекислоты в зависимости от pH показано на рис. 15.
В табл. 2 приведены результаты расчета утечки С02 с протоком среды в зависимости от плотности популяции и концентрации С02 в газовой фазе и pH среды. Вынос углекислоты даже при низкой рС02 может достигать одной трети от потребляемой. При высоких плотностях культуры (х> 10 г/л) реальный вынос будет несколько ниже рассчитанного за счет снижения концентрации растворенной углекислоты. Таким образом, только при условии, когда рС02 <; 5%, а х > 10 г/л, выносом С02 со средой можно пренебречь. В остальных случаях потребление углекислоты необходимо рассчитывать по приросту биомассы.
Вопрос о том, какая форма углекислоты предпочтительнее Для клеток, не решен окончательно. Скорее всего, это бикарбо-натные ионы, которые составляют 80% от всей растворенной Углекислоты в зоне оптимума pH ~ 7. Это подтверждается наблюдениями Р. Репаске и др. [Repaske е. а., 1971]. Они показали, что в первые часы роста A. eutrophus в периодической культуре оптимум рС02 при pH 6,4 составляет 0,05 атм. Возрастание pH на каждые 0,3 единицы требует снижения рС02
3*
35
на 50%, чтобы получить ту же скорость роста. Объяснить этим факт можно на основе С02-бикарбонатного равновесия. Рост инокулята оказался зависимым от концентрации ионов бикарбоната, а не от абсолютной рС02.
Оптимум р(НСО<Г) оценен .в 1,6 • 10~3 М для инокулята из экспоненциальной фазы и в для инокулята из стацио-
нарной фазы.
Через одну—две генерации оптимум для сохранения экспоненциального роста снижается до 6,6- КЗ-4М(НСОз) . Более высокое Кт, равное 0,25—3,3• 10—2 М бикарбоната, определенное по скорости включения радиоуглерода целыми клетками A. utrophus Z-1, найдено И. Я. Ведениной (1968а) для культур разного возраста. Это соответствует и низкому сродству к бикарбонату основного фермента автотрофной ассимиляции С02-рибулезо-дифосфат-карбоксилазы (РуД иФ-карбоксилазы). Минимальное значение Кт находится на том же уровне, что и в опытах Р. Репаске [Repaske е. а., 1971], максимальное — на порядок выше.
Инстинным субстратом РуДиФ-карбоксилазы является, видимо, не бикарбонат, а С02, так как сродство к этому субстрату гораздо выше pi характеризуется Кт—1,47 • 10~5 М. Предполагается [Романова, 1975], что в цитоплазме ион НСО^ превращается в С02 либо по законам равновесия, либо с участием дополнительных механизмов, ускоряющих этот процесс, например фермента карбоангидразы.
У другого хемоавтотрофа — Nitrobacter wingradski — при бесклеточной фиксации С02 Кт для бикарбоната составляет 5,9-Ю^М (около 1 %по С02) [Kiesow е. а., 1972 ], а р(НСО^)крит= = 2,9-10—3 М или 5,5% С02 (pH = 7,6, t = 30°С).
