Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
A. eutrophus Z-1.
Установлено, что бактерии A. eutrophus Z-1 не используют СО в качестве источника энергии вместо водорода, однако рост бактерий на этом субстрате как источнике углерода возможен. При росте водородных бактерий с двумя углеродными субстратами (СО и С02) культура проявляет явную диауксию. Сначала ассимилируется углерод углекислоты, который для клеток предпочтителен (рис. 25).
Таким образом, показано, что исследуемая культура водородных бактерий достаточно устойчива к воздействию углерода. Это открывает пути для использования неочищенного водорода в получении белковой биомассы. Существует еще одна предпосылка для этого — использование карбоксидобактерий, микроорганизмов, способных расти на водороде и СО.
Три штамма карбоксидобактерий в качестве потенциального продуцента белка предварительно оценены в Институте физики СО АН СССР Шолова-Кеслер и др., 1979]. Исследованы бактерии из коллекции отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР: Seliberia carboxydohy-chogena Z-1062, Comamonas compransoris Z-1155, Ps. gazotropha Z-1156. Бактерии культивировали по методу Шлегеля в непроточных условиях. Установлено, что исследуемые микроорганизмы растут в атмосфере (02 —15%, СО — 20, С02 — 10, Н2 — 55%) примерно одинаково. Общая или валовая скорость роста (u=dx!dt) для Z-1156, Z-1062, Z-1155 составляет 0,014; 0,011 и 0,012 соответственно. Урожай этих микроорганизмов за 80 ч роста достигал 1,2 г/л, 0,9 и 1,1 г/л. Следует отметить, что водородные бактерии A. eutrophus Z-1 практически гибнут в такой атмосфере. В то же время при незначительном загрязнении газовой смеси СО (до 5%) скорость роста карбоксидобактерий сравнима с ростом водородных бактерий.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА ВОДОРОДНЫХ БАКТЕРИЙ
В соответствии с условиями материального баланса процесс непрерывного культивирования описывается системой Уравнений
* Закаа № 308
49
dx/dt = x (ji — D),
dCldt = D {C0 — C) — \i {x/y), (20)
dpldt = kpx — Dp,
где kp — скорость выделения метаболитов в среду; ц, Ну и Жр — функции физико-химических условий роста (t, pH, С).
Непрерывная культура A. eutrophus имеет две специфические особенности. Во-первых, штаммы этого вида не выделяют в среду тормозящие их рост продукты, т. е. кр = 0, и, во-вторых, лимитирующие рост компоненты, как правило, поступают из газовой фазы, и, следовательно, на весь процесс влияет массопередача через поверхность раздела газ — жидкость. Таким образом, систему уравнения для водород окисляющих бактерий можно представить в виде
(dx/dt = (\i — D) х,
\dC/dt = кы (Со ~ С) — DC — \ix (1/у), (21)
1[х = [х (С),
где С — концентрация лимитирующего газового компонента; С0 — парциальное давление лимитирующего компонента в газовой фазе.
Т. А. Федорова (19736) разработала математическую модель, наиболее близко соответствующую экспериментальным данным, по которой
I* = Кчт - Ьх)СУ(Кт + С), (22)
где б — коэффициент помех, возрастающий с увеличением плотности популяции.
Биологический смысл коэффициента помех по Г. А. Заварзину (1978) заключается в том, что даже кратковременное пребывание клеток в условиях недостатка энергетического субстрата приводит к длительному неактивному состоянию. По-
мехи от повышенной плотности могут быть равнозначны перебоям в поступлении субстратов катаболизма.
С учетом (22), система (21) приобретает вид
«&/<Й[(цм - 6х)С/(Кт + С)) - Dx; dcldt = kLa (С0 — С) — VYf([xm - 6х)С/ (Кт + С)\ —
—DC. (23)
Исследование этой модели показало хорошее совпадение теоретических и экспериментальных кривых [Семенов, Петрова,
1978]. В частности, зависимость x(D) показана как монотонно убывающая функция (рис. 26).
Таким образом, процесс биосинтеза на водороде характеризуется следующими показателями: = 0,5—0,6 ч-1; время
удвоения 1,5—2,5 ч; концентрация клеток х = 10—40 г/д.
50
Рис. 26. Качественный характер зависимости концентрации биомассы (х) от скорости протока (D) в хемостатной культуре водородных бактерий ио модели (23).
Расходные коэффициенты по энергетическим субстратам равны:
?н2 = °>5 — °>6; 0о2 =2 —3,5 г на
1 г урожая. Продуктивность процесса до 4—4,5 г/л-ч.
Интересно сравнить водородные бактерии по показателям роста с метанокисляющими микроорганизмами. Последние также рассматриваются как потенциальные промышленные продуценты белка, способные использовать природный газ (90% метана) в качестве энергетического и конструктивного субстратов для роста. Экология и биология этих бактерий интенсивно изучается в последние годы. Обобщением этих работ стала монография Ю. А. Ма-лашенко и др. (1978). Физиолого-биохимические особенности метанокисляющих микроорганизмов таковы, что в отличие от водородокисляющих бактерий (см. гл. 5) они выделяют большое количество экзометаболитов, ингибирующих рост культуры. Выход экзометаболитов характеризуется 0,2—0,6 г углерода на 1 г синтезированной биомассы. Помимо этого, рост метилотрофов угнетается продуктами соокисления других компонентов природного газа — этана, пропана и т. д. Вследствие этих причин выращивание чистых культур метилотрофов оценивается как малоперспективное. Одним из путей решения проблемы предлагается использовать искусственные микробные ассоциации с участием гетеротрофного спутника, использующего экзометаболиты, которые выделяются в культуральную жидкость. В этом случае процесс биосинтеза на природном газе характеризуется следующими показателями: [хтах=0,15— —0,3 ч-1 , время удвоения — 2,3—5 ч, концентрация клеток —3—Ю г/л. Расходные коэффициенты по энергетическим субстратам: дСН4 — 1,4 г; q02— 3,4 г на 1 г синтезированной биомассы. Продуктивность процесса 0,1—0,3 г/л-ч.
