Вопрос № 2. Кинетика биохимических процессов

Большинство используемых в промышленности микроорганиз­мов относятся к гетеротрофам, для жизнедеятельности которых необходимы органические источники углерода.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы осуществляют разнообразные функции, обусловленные высокой степенью орга­низации клеток и их сложной структурой. Так, клетки непрерыв­но растут, изменяются их химический состав, морфология, проис­ходят размножение, спорообразование и, наконец, отмирание.

Дрожжи, как правило, размножаются почкованием. На клетке образуется почка, которая растет до размеров материнской клет­ки, а затем отделяется.

Типичная кривая роста культуры микроорганизмов показана на рис. 1. Первая фаза — лаг-фаза — характеризуется отсутстви­ем роста клеток. В этой фазе (I стадия) посевная культура адаптируется к внешним условиям и вырабатывает ферменты для роста клеток на данной питательной среде. В экспоненциальной фазе (II стадия) клетки размножаются с максимально возможной в дан­ных условиях скоростью. Продолжительность этой фазы зависит от запаса питательных веществ в среде культивирования, эффек­тивности перемешивания и скорости подвода кислорода к клетке, т.е. эффективности аэрации.

Рис. 1. Кривая роста культуры микроорга­низмов:

/-лаг-фаза; //—экспоненциальная фаза; ///— фаза снижения скорости роста микроорганизмов; IV— ста­ционарная фаза; V— фаза отмирания клеток

С увеличением накопления биомассы исчерпываются пита­тельные вещества, накапливаются продукты обмена и снижается скорость массообмена кислорода с клеткой. Эти факторы приво­дят к снижению скорости роста микроорганизмов (III стадия). Дальнейшее потребление субстратов и выделение метаболитов приводят к прекращению роста (IV стадия) — стационарная фаза. В V стадии (стадия отмирания) число клеток резко снижается.

Для описания кинетики роста микроорганизмов используют общую и удельную скорости роста. Общая скорость роста биомас­сы микроорганизмов [кг / (м³ • ч)] представляет собой отношение прироста биомассы dMx. бесконечно малому промежутку времени dτ. Эта скорость пропорциональна концентрации биомассы.

Кинетика роста биомассы микроорганизмов описывается урав­нением

(1)

где М— концентрация биомассы, кг/м³; τ — продолжительность процесса, ч; К — удельная скорость роста биомассы, ч^-1.

Из уравнения (1) удельная скорость

(2)

В экспоненциальной фазе удельная скорость роста биомассы микроорганизмов постоянна и равна максимально возможной для данной культуры и условий проведения процесса.

Концентрация биомассы согласно уравнению (1) возрастает по экспоненциальному закону

(3)

где М₀-концентрация биомассы в начале экспоненциальной фазы, кг/м³

Это уравнение предложенное еще Мальтусом, справедливо при отсутствии дефицита питательных веществ, а также в услови­ях эффективной гидродинамической обстановки, обеспечиваю­щей максимальную скорость массопереноса кислорода из пузырь­ков воздуха к клеткам. При этом предполагается бесконечный рост клеток.

В действительности рост клеток затормаживается из-за исто­щения питательных веществ, выделение продуктов метаболизма и взаимного влияния микроорганизмов при возрастании их концен­трации.

Дата добавления: 2014-01-04