Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
При непрерывном культивировании водородных бактерий важно знать, в каком соотношении должны подаваться газы, и прежде всего 02 и Н2, чтобы избежать лимитирования по одному из них. Если бы эти газы имели равные коэффициенты мас-сопередачи, то, очевидно, их соотношение должно было быть равным отношению, в котором они потребляются клетками. Если же коэффициент кЬа одного из них ниже, то доля этого газа в газовой фазе должна быть выше для обеспечения необходимой скорости потребления.
Отношение коэффициентов абсорбции водорода и кислорода в физиологических условиях исследовалось Р. Робра и др. [Robra е. а., 1972]. kLa по кислороду измерялся динамическим методом по показаниям полярографического датчика растворенного кислорода. kLa по водороду рассчитывался из предположения, что 02 и Н2 потребляются в соотношении 1 : 3 по уравнению
Ка (°2)-р02 = 1/3 кЬа (Н2).рН2 (17)
для рН2 и р02, при которых Со2 = 0, расчет дал kLa Н2 =«
= 1,0 1,2 kLa 02. Т. Кодама и др. (1976) определяли kLai
(На) прямым измерением растворенного водорода.
Кроме того, величина kLa (Н2) была оценена ими при допущении, что kLa пропорциональна Д1/2 (Д — коэффициенч диффузии), который рассчитывался по формуле
Д = 7,4-10—8[Т(2,6 М)о.*/р.у.О,5], (18)
46
нг,%
г 02,%
J*,*'
o,fi
80-
-20
0,08-
90-
-10
Ofi6-
100
О
<2> г-
0,04-
Рис. 22. Зависимость окислительно-восстановительного потенциала культуральной жидкости от содержания 02 и На в газовой фазе.
0fi2-
0 5 10 15 20 25
Концентрация СО,%
где Т — температура, К; М — PuS' Зависимость удель
- ной скорости роста непроточ-
молекулярныи вес; р-вязкость, ной Ky'bTypbf л. eu{roph,ls
V — молярный объем раствора. Z-1 от концентрации СО в.
Расчет показал, что kLa (Н2) = газовой фазе.
=1,2 -kLa (02). Измеренное отношение kLa (Н2)/кЬа (02) равнялось 1 при малых скоростях перемешивания и возрастало до ~1,4 при 1000 об/мин.
Зная kLa по 02 и Н2 для данной аппаратуры и константы урожая, можно определить необходимое соотношение газов в подаваемой смеси по уравнениям
tf<y*La(02)-p02-Yo2 = цд: = Нщ-кгл (Н2) • рН2 • 7на; (19)
Изменение соотношения Н2/02 в культуральной среде можно контролировать по показаниям платинового игольчатого электрода. Потенциал, создаваемый на этом электроде, пропорционален соотношению Н2/02 (рис. 22). Этот график получен И. В. Золотухиным (1969), показавшим в своих экспериментах независимость скорости роста от окислительно-восстановительного потенциала среды в широком диапазоне.
При организации хемостатного процесса культивирования необходимо учитывать, что характеристики процесса зависят от типа лимитирования. Как показано выше, лимитирование по Углекислоте и энергии значительно снижает эффективность использования водорода как основного газового субстрата. Лимитирование кислородом повышает эту эффективность, но вызывает нежелательную трансформацию биомассы (см. гл. 7). оыбор конкретного режима будет зависеть от критерия оптимизации, наиболее важного с экономической и инженерной точек зрения.
р02 + pH 2 = 100 — рС02.
4Т
РОСТ ВОДОРОДНЫХ БАКТЕРИЙ НА ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ С СО
Окись углерода — дыхательный яд, блокирующий некоторые участки электронтранспортной цепи, прежде всего цито-хромоксидазу и гидрогеназу. Однако многие микроорганизмы и растения обладают способностью к СО-резистентному дыханию. Как показано в работе Т. Г. Кеслер и др. (1978) и Н. Д. Савельевой (1979), Alcaligenes eutrophus Z-1 также обладает в некоторой степени такой резистентностью. При периодическом культивировании зависимость удельной скорости роста этих микроорганизмов от концентрации СО в газовой фазе имеет вид гиперболы (рис. 23). Установлено, что увеличение окиси углерода в газовой фазе до 5% не влияет на удельную скорость роста водородных бактерий, при концентрации СО 7% ,и снижается на 30% от исходной величины, при 10% СО — на 50%. Летальной для данного штамма водородных бактерий можно считать концентрацию СО свыше 20%.
В условиях проточного культивирования ингибирующая рост водородных бактерий концентрация СО несколько выше по сравнению с непроточной культурой. Увеличение концентрации СО в газовой фазе от 1 до 7% не вызывает изменения удельной скорости роста бактерий (рис. 24). В этом случае время культивирования бактерий при концентрации СО в
3,5 и 7% составляло30—35 ч в каждом случае, что соответствовало числу генераций культуры, близкому к 10. И только при концентрации СО 9,4% отмечено угнетение роста бактерий. В течение 4—5 ч клетки снизили удельную скорость роста до 0,25 ч-1, что примерно на 40% меньше исходной величины. Параллельно сократилось количество поглощаемой культурой газовой смеси примерно в 2 раза, т. е. до 5—6 г/л урожая.
СО,% С02,°/о Л =400нм
Рис. 24, Рост водородных бактерий при последовательном использовании С02 и СО (накопительный режим культивирования A. eutrophus Z-1 в ферментере).
1 — оптическая плотность культуры; г — концентрация СО в газовой фазе; $ — концентрация СО, в газовой фазе.
48
Рис. 25. Зависимость удельной скорости роста от концентрации СО в газовой фазе при непрерывном культивировании
