ЛЕКЦИЯ 19
БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
19.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Биохимические процессы осуществляются с помощью живых микроорганизмов. Они потребляют из окружающей среды-субстрата питательные вещества — сахарозу, глюкозу, лактозу и другие углеводы. Микроорганизмы дышат, растут, размножаются, выделяют газообразные и жидкие продукты метаболизма, реализуя тем самым накопление биомассы или продуктов метаболизма, ради чего и проводится процесс ферментации. При ферментации накапливаются биомасса и продукты метаболизма. Так, при производстве дрожжей, белково-витаминных концентратов целевым продуктом является биомасса, а в других случаях, например при производстве антибиотиков, ферментов и др., — продукты метаболизма, синтезируемые клетками микроорганизмов. При этом продукт жизнедеятельности микроорганизмов может накапливаться в самой клетке либо выделяться в культуральную жидкость.
Микробиологический синтез используют для получения ряда ценных продуктов, производство которых методами химической технологии невозможно или экономически нецелесообразно. Например, получение ферментов, бактериальных препаратов, белка, антибиотиков, ряда витаминов возможно только путем микробиологического синтеза.
В пищевой промышленности микроорганизмы используются в бродильных производствах — пивоварении, виноделии, в производстве пищевого спирта, лимонной, молочной и уксусной кислот, дрожжей, а также при переработке сельскохозяйственного сырья. Производство дрожжей связано с получением больших количеств биомассы микроорганизмов. Для получения дрожжей, а также ряда органических кислот используют метод глубинной (суспензионной) ферментации микроорганизмов в кислой среде. При этом не требуется высокой степени асептики, так как возможность развития посторонней микрофлоры мала. Питательные среды и культуральные жидкости содержат сахара, спирты и другие компоненты в концентрациях, при которых рост многих микроорганизмов затруднен. В ряде случаев применяют микроорганизмы — анаэробы, для культивирования которых не требуется кислорода, что затрудняет и рост посторонней микрофлоры.
В связи с этим не возникает проблем стерилизации больших количеств жидкости, оборудования, его герметизации, тонкой очистки воздуха. Выделение готового продукта происходит в сепараторах в жидком виде с последующей сушкой в распылительных сушилках.
При получении бактериальных препаратов и веществ, обладающих физиологической активностью, таких как антибиотики, ферментные препараты, закваски, удобрения, витамины, аминокислоты, гормональные препараты и др., требуется защита рабочей среды на стадии ферментации и на других стадиях от попадания посторонней микрофлоры. Посторонняя микрофлора может попасть в рабочую среду с культуральной жидкостью, воздухом, подаваемым в ферментатор, или может развиваться в самом аппарате при недостаточной его стерилизации и герметизации. В качестве продуцентов используется не смесь штаммов, а, как правило, один определенный штамм.
Проведение технологического процесса в условиях, сопутствующих развитию посторонней микрофлоры (t=25...35 °С, рН 6,2...7,2) в отсутствии строгой стерилизации и герметизации оборудования, может привести к полному подавлению роста целевого полезного продуцента или к резкому снижению выхода целевого продукта метаболизма. Поэтому в этих процессах предъявляют повышенные требования к асептике: тонкой очистке воздуха, стерилизации оборудования и культуральной жидкости.
Синтез проводят в аппаратах, которые называют ферментаторами. Процесс микробиологического синтеза проводят в ферментаторах периодического и непрерывного действия. Целевой продукт выделяют из культуральной жидкости путем фильтрования, сепарации, экстракции, выпаривания и сушки. Наиболее распространенными методами сушки являются распылительные, сублимационные, вакуумные и сушка в псевдоожиженном слое.
Особенности биохимических процессов следующие: образование или разрушение различных продуктов с помощью живых микроорганизмов; саморегулирование, которое обычно направлено на ускорение роста биомассы. Кроме того, все внутриклеточные процессы протекают и регулируются белковыми биокатализаторами — ферментами, клеточные, оболочки — мембрана обладает избирательной проницаемостью, на внешнее воздействие регуляторные механизмы клетки реагируют приспособительной реакцией, направленной обычно в благоприятную для жизнедеятельности микроорганизмов сторону.
Анализ и расчет ферментаторов основываются на информации о микрокинетике процесса ферментации микроорганизмов, который включает кинетику роста биомассы в зависимости от концентрации компонентов субстрата и других параметров, а также на изучении закономерностей массо - и теплообмена.
19.2. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Большинство используемых в промышленности микроорганизмов является гетеротрофами, для жизнедеятельности которых необходимы органические источники углерода.
В процессе жизнедеятельности микроорганизмы осуществляют разнообразные функции, которые обусловлены высокой степенью организации клеток и их сложной структурой.
Клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы и ядра.
В ходе жизнедеятельности микроорганизмов клетки непрерывно претерпевают как количественные, так и качественные изменения: рост, изменение химического состава, морфологии, размножения, спорообразования и, наконец, отмирание.
Типичная кривая роста культуры микроорганизмов показана на рис. 19.1. 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. 19.1. Кривая роста культуры микроораганизмов
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 биомассы микроорганизмов (в кг/(м3*ч)) представляет собой отношение прироста биомассы dM за бесконечно малый промежуток времени dt. Эта скорость пропорциональна концентрации биомассы.
Кинетика роста биомассы микроорганизмов описывается уравнением
(19.1)
где: М - концентрация биомассы, кг/м3; τ - продолжительность процесса, ч; К - удельная скорость роста биомассы, ч-1.
Из уравнения (19.1) удельная скорость
В экспоненциальной фазе удельная скорость роста биомассы микроорганизмов постоянна и равна максимально возможной для данной культуры и условий проведения процесса.
Концентрация биомассы согласно уравнению (19.1) возрастает по экспоненциальному закону
(19.2)
где: М0 — концентрация биомассы в начале экспоненциальной фазы, кг/м3.
Прологарифмировав уравнение (19.2), получим
(19.3)
В полулогарифмических координатах уравнение (19.3) представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, пропорциональным удельной скорости роста К.
Чтобы рассчитать удельную скорость роста, определяют значения М1 и М2 для двух точек, соответствующих продолжительности процесса τ1 и τ2.
Тогда
(19.4)
Продолжительность регенерации τр, за которую количество биомассы увеличится в два раза,
В качестве сырья в микробиологическом синтезе используют отходы крахмало - паточного производства (меласса, гидрол), гидролизаты торфа и питательных отходов, молочную сыворотку, кукурузную муку, углеводороды переработки нефти.
19.3. МАССООБМЕН В ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ
Для роста популяции аэробных микроорганизмов требуется кислород, который окисляет органические субстраты и обеспечивает клетки энергией. Кислород плохо растворяется в воде, и его концентрация в воде составляет 8,1 мг/л. Поэтому для обеспечения процесса ферментации необходима непрерывная аэрация ферментационной жидкости воздухом.
При аэрации происходят два процесса: абсорбция кислорода ферментационной жидкостью из пузырьков воздуха и усвоение растворенного в жидкости кислорода клетками микроорганизмов.
Для жидкой фазы уравнение массоотдачи запишется в виде
(19.5)
где: М - концентрация кислорода, кг; βЖ - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/ч; хр - равновесные концентрации кислорода, кг/м3; х - рабочая концентрация кислорода в жидкой фазе, кг/м3; F - площадь поверхности массоотдачи, м2; τ - продолжительность процесса, ч.
Так как площадь поверхности раздела фаз F в барботажных аппаратах неопределима, выразим
где: Vp - рабочий объем ферментатора, м3; а - удельная площадь поверхности массоотдачи, м2/м3.
Тогда уравнение (19.5) примет вид
(19.6)
или
(19.7)
где: βжv — объемный коэффициент массоотдачи, ч-1; βжv = βжа.
На практике измеряют не концентрации кислорода, растворенного в жидкости, а его парциальные давления в газовой фазе, находящейся в равновесии с жидкостью.
Согласно закону Генри
где: Е - константа Генри, кг/(м3*Па); P О2 - парциальное давление кислорода в ферментационной жидкости, Па.
Если считать, что в любой момент времени скорость WО2 усвоения кислорода микроорганизмами из ферментационной жидкости равна скорости абсорбции, т. е. х=0, то
(19.8)
Отметим, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе зависит от скорости перемешивания среды и условий аэрации. Концентрация кислорода в отходящем из ферментатора воздухе составляет 18... 20%.
19.4 АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ
Процессу глубинной ферментации в ферментаторах предшествуют следующие стадии, проводимые в лабораторных условиях: приготовление посевного материала; приготовление и стерилизация питательных сред; выращивание посевного материала в инокуляторах. Количество посевного материала зависит от объемов ферментаторов, установленных в цехе. Обычно количество посевного материала составляет 5% объема питательной среды. Перед загрузкой питательной среды и посевного материала ферментатор и все коммуникации стерилизуют. С целью уменьшения пенообразования в ферментатор загружают поверхностно-активные вещества (ПАВ). Ферментацию проводят в асептических условиях в течение 18...24 ч. Во время процесса контролируют температуру и рН культуральной жидкости. После окончания ферментации ферментатор опорожняют. Полученный продукт отделяется от жидкости на фильтрах или сепараторах и поступает на дальнейшую обработку.
При проведении ферментации основным специфическим аппаратом является ферментатор. Наиболее распространенный ферментатор — это аппарат с механическим перемешиванием и барботером для подвода воздуха (рис. 19.2). Ферментационная жидкость перемешивается в таком аппарате мешалкой и подаваемым воздухом. Во время работы мешалки воздух дополнительно диспергируется в ферментационной жидкости. Наибольшее применение получили типовые открытые турбинные мешалки, обеспечивающие эффективные перемешивание и диспергирование воздуха.
В зависимости от объема ферментатора по высоте аппарата на вал может быть установлено несколько мешалок. Иногда монтируют отражательные перегородки. Для поддержания необходимой температуры в ферментаторе предусматривают теплообменную рубашку, в которую подается охлаждающая вода.
Разработаны самовсасывающие воздух мешалки, одна из конструкций которых показана на рис. 19.3. В таких мешалках осуществляется перемешивание с одновременной подачей воздуха для аэрации жидкости. Внутри турбины находится полость с кольцевым соплом, соединенная с каналом, подводящим воздух. При вращении мешалки внутри турбины создается разрежение, в результате воздух из атмосферы засасывается во внутреннюю полость мешалки и диспергируется в ферментационной жидкости.
Рис. 19.2. Схема ферментатора:
1 - двигатель; 2 - труба для подачи воздуха; 3 - отражательная перегородка; 4 – мешалка; 5 - змеевик; 6 - рубашка.
Рис. 19.3. Самовсасывающая мешалка:
1 - воздушная полость; 2 - воздухопроводящий патрубок; 3 - турбина; 4 – лопатка.
Менее эффективны барботажные ферментаторы. На рис. 19.4 показан эрлифтный дрожжерастильный аппарат, представляющий собой вертикальную цилиндрическую емкость, в которой по оси расположен диффузор. Воздух подается в аппарат по трубе, расположенной по оси аппарата, и диспергируется в жидкость через кольцевую щель. При подаче воздуха в аппарате возникает направленная циркуляция ферментационной жидкости, за счет которой жидкость перемешивается. Образующаяся пена гасится поверхностно-активными добавками.
Рис. 19.4. Схема эрлифтного дрожжерастительного аппарата:
1 - диффузор; 2 - воздухопроводящий патрубок
В некоторых конструкциях ферментаторов воздух подается через инжекторы, установленные тангенциально в корпусе аппарата.
Оборудование, применяемое для выделения продукта из ферментационной жидкости, экстракции, выпаривания и сушки, является типовым и не отличается от оборудования, используемого в химической и пищевой промышленности.
Контрольные вопросы
1. В каких производствах пищевой промышленности используются биохимические процессы? 2. В чем суть биохимических процессов? 3. В каких случаях не возникает проблем со стерилизацией воды, воздуха, оборудования? 4. Как устроена дрожжевая клетка? 5. Как систематизируются биохимические процессы? 6. Перечислите фазы при культивировании микроорганизмов. 7. Какими параметрами характеризуется и какими уравнениями описывается кинетика роста микроорганизмов? 8. Какими уравнениями описывается скорость потребления питательных веществ из культуральной среды? 9. Какими уравнениями описывается кинетика биосинтеза продуктов метаболизма? 10. Какими условиями определяется скорость массообмена между кислородом и клеткой? 11. Какими уравнениями описывается кинетика массообмена между кислородом и клеткой? 12. В каких аппаратах проводят биосинтез?
