Привести математические модели кинетики процесса ферментации.

Билет №10

Обосновать преимущества биотехнологического способа получения органических кислот.

Органические кислоты (лимонная, молочная, уксусная пропионовая и др.) можно получать экстракцией из растений, органическим синтезом и биотехнологическим способом.

Ø Высокая скорость размножения микроорганизмов. Это позволяет в короткие сроки получить огромное количество биомассы.

Ø Широкий выбор исходных продуктов.

Ø Возможность использования дешевого сырья: отходов сельского хозяйства, пищевых предприятий, непищевого сырья.

Ø Высокая производительность.

Ø Высокая рентабельность.

Ø Мягкие режимы.

Ø Биотехнологические методы экологичны, имеют мало вредных отходов и близки к протекающим в природе естественным процессам.

Ø Продукты естественного брожения более предпочтительны, чем синтетические кислоты в связи с безвредностью для организма человека содержащихся в них примесей.

Предложить структуру эскизной схемы производства органических кислот и выяснить назначение входящих в неё технологических процессов, режимы их реализации и влияние на выход целевого продукта.

Производство органических кислот биотехнологическим способом включает три стадии:

1. Подготовительные процессы (приготовление питательных сред, подготовка посевного материала, стерилизация сред, оборудования и воздуха (для аэробных процессов)).

2. Биотехнологическая стадия (культивирование, ферментация, биотрансформация, биосинтез и др.).

3. Процессы выделения и очистки (отстаивание, фильтрация, адсорбция, выпаривание, кристаллизация и др.).

Рассмотрим эскизную схему производства молочной кислоты.

Молочная кислота CH₃CH(OH)COOH образуется в результате анаэробного превращения углеводов молочнокислыми бактериями. Схема биосинтеза молочной кислоты:

В промышленных условиях пищевую молочную кислоту получают методом глубинного культивирования с помощью гомоферментативных термофильных бактерий.

Для промышленного изготовления молочной кислоты пригодны только гомоферментативные молочнокислые бактерии, образующие до 98 % молочной кислоты. Применяемые штаммы Lactobacillusdelbrueckii (дельбрюкки), Lactobacilluscasei не предъявляют высоких требований к питательной среде и за короткое время дают высокий выход молочной кислоты.

Посевной материал представляет собой чистую культуру биомассы клеток биологического агента в количестве, необходимом для засева промышленных аппаратов.

Предварительно культуру Lactobacillus выращивают на скошенной агаризованной среде в пробирке, затем в колбах на качалках в одну или две стадии, затем в инокуляторах (посевной аппарат). Число стадий зависит от мощности производства. На всех стадиях соблюдаются правила асептики. Среды, аппараты и коммуникации стерилизуются. Расход посевного материала, выращенного на жидкой среде обычно составляет от 2 до 10% к массе питательной среды.

Питательная среда представляет собой смесь компонентов, необходимых микроорганизму для жизнедеятельности и биосинтеза продуктов метаболизма.Она включает источники углерода, кислорода, азота, водорода, макро- и микроэлементов, витамины.

Состав среды определяется видом продуцента.

В качестве основного сырья используют мелассу, гидролизаты крахмала, которые разбавляют водой до определенной концентрации (12 %), вносят дополнительные источники аминного азота (свободные аминокислоты), витаминов и других биологически активных веществ в виде кукурузного или дрожжевого экстракта, или вытяжку солодовых ростков (так как на молочнокислое брожение биологически активные вещества оказывают положительное влияние).pH среды 6, 3-6, 5. Для корректировки pH могут использоваться растворы кислот или щелочей.

Техника приготовления питательных сред включает дозирование компонентов (объёмное или весовое), смешение и стерилизацию.

Молочную кислоту в промышленных условиях получают методом анаэробной глубинной стерильной ферментации. Процесс может быть периодическим или непрерывным.

Ферментация – это комплекс микробиологических, массообменных, физических, механических, тепловых, химических и биохимических процессов, протекающих в ферментаторе, в результате которых происходит рост и развитие клеток, биосинтез ферментов и транспорт метаболитов в культуральную жидкость.

Достоинства глубинной периодической стадии: гигиена производства, стерильность, возможность регулирования состава среды, автоматизированное управление. Недостатки: низкая концентрация целевого продукта, высокие энергозатраты, значительные стоки.

Достоинства глубинной непрерывной стадии: высокая продуктивность, возможность длительное время поддерживать в автоматическом режиме рост культуры микроорганизмов, сокращение времени на подготовительные и заключительные операции (засев и разгрузка аппарата). Недостатки: зарастание оборудования, падение биологической активности клеток при длительном культивировании, уменьшение продуктивности во времени (что обусловлено сложностью обеспечения асептических условий).

На данную стадию оказывает влияние ряд факторов:

1) Состав питательной среды.

2) Растворимость её компонентов.

3) pH питательной среды.

4) Температура.

5) Длительность стадии.

6) Количество и возраст посевного материала и пр.

В частности при производстве молочной кислоты для стимулирования активного синтеза молочной кислоты вносят вытяжку из солодовых ростков, которая является источником азота, аминокислот и зольных веществ.

Оптимальна pH 6, 3-6, 5, но по мере накопления молочной кислоты pH снижается, поэтому pH поддерживают, добавляя мел или гашеную известь.

Температура культивирования 50°С т. к. биологическим агентом являются термофильные бактерии. При активном размножении микроорганизмов выделяется тепло и температура повышается на 10-12°С, что может привести к гибели особей. На начальных фазах стадии температуру среды поддерживают на 2-3°С выше. Поэтому температуру регулируют путём подачи в теплообменную рубашку или змеевик теплоносителя.

Рисунок – Кривая роста микроорганизмов при периодическом культивировании

I – лаг-фаза; II – фаза ускорения роста; III – фаза экспоненциального роста; IV – фаза замедления роста; V – фаза стационарная; VI – фаза отмирания культуры

Продолжительность культивирования – 7-10 суток.

Стадия ферментации продолжается до достижения концентрации молочной кислоты в культуральной жидкости 18-20%.

Культуральная жидкость – смесь, полученная в процессе глубинного культивирования микроорганизмов, включающая микроорганизмы (биомассу), растворимые продукты метаболизма, компоненты питательной среды и внутриклеточные продукты биосинтеза.

Молочная кислота – внеклеточный метаболит, т. е. содержится в культуральной жидкости, что облегчает процесс выделения, устраняя необходимость в разрушении клеточных стенок (дезинтыграции) или экстракции.

После завершения молочнокислого брожения полученную молочную кислоту нейтрализуют гашеной известью(или известковое молоко – гидроксид кальция) при температуре 80-90°С. Получается растворимая соль – лактат кальция. (Химическийпроцесс)

Далее производится очистка: осадок белков и солей отделяют фильтрованием. Фильтрование – это процесс разделения суспензии с использованием пористых перегородок, которые задерживают твёрдую фазу суспензии и пропускает ее жидкую фазу. (Гидромеханический процесс)

Концентрирование производят упариванием фильтрата до содержания сухих веществ 27-30 % с последующим охлаждением до 25-30^оС. Выпаривание – это процесс концентрирования растворов путем частичного испарения растворителя. (Тепловые процессы)

Охлаждённый концентрированный раствор выдерживают в кристаллизаторах 36-48 ч.Для интенсификации процесса проводят непрерывное охлаждение водой. Кристаллизация – это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.Процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде. (Диффузионный или массообменный процесс)

Выделившиеся кристаллы лактата кальция обрабатывают серной кислотой. Получают раствор молочной кислоты, который осветляют с помощью жёлтой кровяной соли (K₄[Fe(CN)₆]∙ 3H₂0 – гексацианоферрат(II) калия)и активированного угля. Адсорбция – самопроизвольно протекающий диффузионный процесс взаимодействия двух фаз – твёрдого тела (адсорбента) и газа или растворённого вещества (адсорбтива), происходящий путём поглозения газа или растворённого вещества поверхностью твёрдого тела. (Химические и массобменные процессы)

Полученную суспензию фильтруют, отделяя осадок (гипсовый шлам). Фильтрат упаривают до концентрации молочной кислоты 50%. Снова осветляют активированным углём, фильтруют. Второе упаривание раствора проводят до концентрации 70%.

70%-ный раствор молочной кислоты фильтруют и подают на розлив.

Товарная форма молочной кислоты – 70% раствор. Молочная кислота очень гигроскопична, поэтому её не производят в кристаллическом виде, в отличии от лимонной. Концентрированный раствор молочной кислоты представляет собой сиропообразную бесцветную жидкость без запаха.

Привести математические модели кинетики процесса ферментации.

Математическое моделирование любого биотехнологического процесса, аппарата или системы сводится к оценке скорости протекания биохимических процессов, которая определяется скоростью биохимической деятельности (роста) микрообъектов в зависимости от одного или нескольких параметров среды, обеспечивающей протекание метаболических процессов.

Кинетика биотехнологических процессов изучает закономерности изменения скорости роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма в зависимости от текущих концентраций субстратов, биомассы, продуктов метаболизма, температуры и рН среды.

Наиболее распространены уравнения, описывающие кинетику в зависимости от концентрации лишь одного субстрата, который называют лимитирующим; другие субстраты при этом полагаются находящимися в избытке и не влияющими на скорость роста.

Простейшая кинетическая модель вытекает из самого определения удельной скорости роста биореагентов (μ) и имеет вид:

В данной модели неявно предполагается, что величина μ здесь постоянна, однако это не так – она строго зависит от концентрации субстрата. Задача как раз в том и состоит, чтобы найти эту зависимость.

В зависимости от штамма и вида микроорганизма, а также субстрата связь μ (S) может иметь самый различный характер.

Модель Кобозева. Эта простейшая модель дает аналогию с химической кинетикой:

где K – константа скорости.

Модель Моно. Эта модель основана на ферментативной кинетике протекающих в клетках биохимических превращений и наиболее широко известна:

где μ – удельная скорость роста,

S – концентрация субстрата,

μ _m– максимальная удельная скорость роста (биохимических реакций),

K_S – константа Михаэлиса (0, 1-0, 01 кг/м³).

(K_S=S, при которой μ =0, 5μ _m.)

Уравнение Моно отражает зависимость удельной скорости накопления биомассы от концентрации субстрата.

μ _m и K_S можно определить экспериментально. Для этого изучают кинетику роста биомассы при разных концентрациях субстрата S.

На графике x – концентрация клеток.

Модель Мозера учитывает сигмоидальный характер зависимости μ (S), представленной на рис. 3.5:

Здесь K – новый по сравнению с уравнением Моно параметр, причем K> 1.