Биомассаны алу және өңдеудің биотехнологиясы Шымкент, 021 Әож 557. 1: 547. Ббк 28. 072 Есимова А. М., Ибраимова Ж. К. «Биомассаны алу және өңдеудің биотехнологиясы»
Микроорганизмдерді өсіру процесі және бақылау принциптері
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
| Микроорганизмдерді өсіру процесі және бақылау принциптері
Ақуыз өндіру үшін микроорганизмдерді қазіргі заманғы қолданатын хемостатты принциптер бойынша жұмыс істейтін ферментерде іске асырылады. Ферментердің көлемі бірнеше метр кубқа жетеді. Микроорганизм мен көбейетін ортаға минералды тұздардың сулы концентраты және арнайы процеске қатысатын органикалық субстрат үздіксіз беріліп отырады. Содан кейін культураны араластырып, аэрациялап, салқындатады. Аэробты микроорганизмдердің өсу процесінде жылу бөліну жылдамдығы олардың молекулярлы оттегін пайдалану жылдамдығына тура пропорционал. Микроорганизмдер пайдаланған әрбір грамынан О2 142,5 кДж (3,4 ккал) жылу бөлінеді. Салқындататын агент пен ферментациялы ортадағы температураның айырмашылығы көп болған сайын салқындатуға жұмсалған шығындар да төмендейді. Сондықтан да өндірісте термотолерантты штамдар пайдаланылған, ал өсіру үрдісін биомассаның шығымын төмендетпей жоғарғы температурада жүргізілген. 11 сурет. Азықтық ашытқы өндірісінің принципиальды сызба нұсқасы Өсірудің рационалды үрдісін микроорганизмдердің өсуін лимиттеу әрекетімен іске асырылады. Сол себепті өсіру үрдісінің рационалды жүргізілуі, яғни ферментердің масса алмасу сипаттамасы айтарлықтай толық, ферментердегі физиологиялық жылуы тұрақты болғанда, пайдаланылатын органикалық субстратқа және қолданылатын микроорганизмнің штамына тәуелді болмайды. Азықтық ашытқы өндірудің принципиальды сызба-нұсқасы 11-суретте көрсетілген. Егер мицелилі саңырауқұлақты пайдаланғанда, өсірілген ашытқы клеткаларын сулы ортадан сепарирлеумен, фильтрлеумен бөліп алады. Биомассаны басқа да жолмен бөліп алу әдісі құрастырылған, мысалы, флотациялау әдісі ұсақ бактерия клеткасын концентрлеу үшін жасалған. Оларды әдетте жуады, концентрлейді, содан соң 80-900С температурада клеткалардың өлуіне әкелетін термиялық өңдеуге жібереді. Осындай өңдеулердің нәтижесінде пайда болған қаймақ тәріздес массаны кептіру үшін қажет талапқа сәйкес шашыратқыш кептіргіш қолданылады. Кептіріп болғаннан соң ұнтақ тәрізді немесе қауашақ тәрізді өнім алынады, содан соң оны түйіршіктеуге жіберуге болады. Өнімді буып-түйетін жерге жібереді, кейін комбикормды тұтынушыларға жібереді. Мұндай ақуыз құрайтын микроб тектес қоспа немесе коммерциялық атаулары органикалық шикізат түріне, микроорганизм штамына және технологиялық ерекшелігіне қарай өздерінің атаулары болады. Ақуыз заттардың микробилогиялық өндірісіне арналған ортада органикалық өнімдердің метаболизмі мол мөлшерде жиналатын штамдар мен үрдістер қолданылады. Осындай жағдайға байланысты органикалық субстраттың микроорганизмдер биомассасына өңделуіндегі макроэлементтер балансын келесі теңдеумен көрсетуге болады: СНm Ol + аNН3 + bO2 → yс CНp On Nq + (1-yс) CO2 + сН2 O Бұл теңдеудегі органикалық субстраттар мен кептірілген биомассаның брутто-формуласы көміртегінің бір атомына есептелген. Мысалы, глюкозаның брутто-формуласы CН2 түрінде болады. m және l әріптері – нақтылы субстарттың құрамын көрсетеді, ал p, n және q – әріптері алынған биомассаның құрамын көрсетеді. Ашытқы клеткасындағы көміртегінің бір атомында 1,7 сутегі атомы (өзгеру шегі ±5,4%) және 0,55 ( ±6,4%) оттегі атомы тура келеді екен, ал бактериялар клеткасында бір атом көміртегіне 1,82 сутегі атомы (±4,5%) және 0,47 (±11,3%) оттегі атомы тура келеді екен. Азоттың құрамы көп жағдайларда өзгеріп отырады және оны әрбір нақтылы жағдайда анықтау қажет. Сусыз көптеген әртүрлі микроорганизмдер биомассасындағы көміртегі массасының бөлігі 0,46 (өзгеру шегі ±4,9%) тең. yс - көміртегенің шығымы. Субстраттың көміртегі бөлігі теңдей yс биомассаға өтеді, ал қалған бөлігі (1-yс) CO2 өтеді. Осыған ұсқсас жағдайда теңдеудегі с коэффициенті түзілген су молімен бірдей болады. Үрдіс кезінде су пайдаланыла да, түзіле де алады. с коэффициенті сусыз биомассаға есептелінген микроорганизмдердің өсу үрдісіндегі судың сандық балансын білдіреді. Көміртегі бойынша шығымы (yс), немесе CO2 (1-yс) шығымымен өсу үрдісінде, а аммиактың шығынымен немесе b оттегінің шығынымен субстрат бірлігін пайдаланудан түзілген судың моль санын көрсететін коэффициент. Берілген теңдеу коэффициенттері бір-бірімен байланысқан. Бір коэффициенттің нақтылы мәніне басқа коэффициенттің бір ғана мәні сәйкес келеді. Сондықтан материалдық балансты микроорганизмдермен органикалық субстраттың пайдалану саны мен теңдеудегі кез келген мүшелерінің коэффициенті арқылы есептеуге болады. Егер де пайдаланылған субстрат мөлшері белгісіз болса, онда екі коэффициентті анықтап алу қажет. Өсу теңдеуінің екі коэффициенттерінің қатынастары бойынша формулалар, кестелер және графиктер құрып материалдық балансты анықтауға болады. Бұл қатынастарды қарастыру термодинамикалық мүмкіндіктердегі шекте ғана іске асады. Мұндай аймақтар, мысалы, микроорганизмдердің өскені жоқ және барлық органикалық субстрат CO2 және Н2O дейін тотыққанда, ал екінші жағынан тиімді жағдай – органикалық субстарттың химиялық энергиясы өсіп шыққан биомассадағы химиялық энергия ретінде сақталғандағы шектер болып есептеледі. Басқа сөзбен айтқанда, тәжірибе жүзінде шыққан өнімдер (көміртегі, оттегі массасы бойынша) өсудің энергиялық шығымына, демек нөлден төменгі, бірден жоғарғы бірлікке сәйкес келе алмайды. Микроорганизмдердің аэробты жағдайда іс жүзінде энергиялық шығымы 2/3 жоғары болмайды. Өсудің энергиялық шығымы 0-ден 1-ге дейінгі аралықта болады. Микроорганизмдердің өсуінің энергиялық шығымы көміртегі бойынша yс, немесе Ys массасы бойынша шығымына (1 г органикалық субстраттан алынған, биомасса, г) энергиялық аумағына қоюға болады. Мысалы, энергияға бай 1 г метанда құрайтын энергияның химиялық энергиясы 3 г биомассаны алуға мүмкіндік жасайды, ал энергияға кедей 1 г шавель қышқылынан 0,1 г-нан көп емес биомассаны алуға болмайды. Масса (немесе көміртегі) бойынша түрлі субстраттарда өсірілген микроорганизмдерден алынған өнімділігінің мәнін, оларды пайдалануда тиімділігін сипаттау үшін салыстыруға болмайды. Қалыпты жағдайда айналған шығымдардың түсінігін енгізуге болады, яғни берілген субстраттар үшін барынша шекті мәнінен пайыздық шығымдар. Мұндай қалыпты жағдайда айналған шығымдар өсудің энергиялық шығымы болып табылар еді. 12-суретте метанолда өскен ашытқылардың энергиялық шығымы мен материалдық баланстың көрсеткіштерінің қатынастары көрсетілген. Өзара байланысының шығымының қисығы, оттегі Yо бойынша (1грамм пайдаланылған оттегінен алынған биомасса, г) және органикалық субстрат және кез-келген аэробты микроорганизмдердің өсуі үшін өсудің ή энергиялық шығымы әмбебап сипатқа ие және мынадай формуламен көрсетіледі: Yо = 0.75 ή/1- ή. ή/1- ή мәні - өсу процесінде жылуға айналған субстраттың химиялық энергиясына өткен, пайдаланылған органикалық субстраттың химиялық энергиясының қатынасын көрсетеді. 12 сурет. метанолда өскен ашытқылардың энергиялық шығымы мен материалдық баланстың көрсеткіштері Материалдық баланстың инерциондық емес көрсеткішін – оттегі мен аммиактың пайдалану жылдамдығын және CO2 пайда болуын өлшеу айтарлықтай бағалы. Өсу балансын өлшеуге арналған параметрлерін таңдау кезінде сол не басқа субстраттағы оның арнайы заңдылықтарын және өлшеу аумағындағы баланстың көрсеткішінің өзгеру сипаттамаларын ескеру қажет. Метанолда ашытқыны өсіргенде CO2/O2 қатынастарын орташе не жоғары шығым аумағына қарағанда төменгі шығым аумағында пайдаланған дұрыс. Ал көмірсуда өсіру кезінде CO2/O2 қатынастарын төменгі шығым аумағында әлсіз және өсу балансын анықтау ыңғайсыз. Сонымен, баланс дұрыс анықталғанын білген маңызды. Сондықтан екі немесе одан да көп баланс параметрлерінің қатынасын анықтаған абзал. Баланстың түрлі компоненттерін өлшеу кезінде алынатын энергиялық шығымының өсуінің мәндерін салыстыру қажет. Түрлі әдістермен алынған өсудің энергиялық шығымы бірдей болған жағдайдағы нәтижесін ескерген жөн. Мұны автоматты түрде ЭЕМ-ге енгізе отырып жасауға да болады. Микроорганизмдердің өсуінің маңызды физиологиялық сипатының бірі оның жылдамдығы мен тиімділігі болып табылады. Өсу тиімділігі бірінші кезекте маңызды технологиялық көрсеткіштерге жатқызылады. Өсуге арналған қолайлы жағдайы жоқ, ал өсу жылдамдығы мен тиімді өсуге қолайлы жағдай болады. Осы екі сипаттамалар үшін қолайлы локализациясы түрлі болуы мүмкін. Кез келген субстратта ақуызды микробиологиялық жолмен алуда ферментердің өте жоғары деңгейде жұмыс жасауы маңызды, демек оның масса алмасу сипаты, барынша субстраттың қолданылуы қажет. Ws-органикалық субстрат бойынша; W0- оттегі бойынша; WN-азот көзі бойынша; 13 сурет. Өндірістік ферментерде өсуіне энергетикалық шығымының әсері Сонымен қатар, органикалық субстратты артық мөлшерде ферментерге жіберген дұрыс емес, себебі ол пайдаланылмай қалып, қалдық суларды тазартуды қиындатады, ал микроорганизмдерді көмірсуда өсіргенде артық мөлшері өнімге қосылады. 13- суретте ферментердің оттегі бойынша W0 оттегімен барынша өсуі кезіндегі өсудің энергиялық шығымына ή тәуелділігі көрсетілген. Егер ферментердегі масса алмасу төмен болса, W0 қисығы төмен болар еді, ал егер масса алмасу жоғары болса, қисық жоғары көтеріледі. Органикалық субстратта барынша өсуде энергиялық шығымынан ферментердің өнімділігінің тәуелділігі түзу сызықпен көрсетіледі, мысалыға, Ws (2). Егер ортаға берілетін субстраттың мөлшерін жоғарылатса, онда органикалық субстратпен барынша өсу өнімділігі жоғарыда орналасқан қисықпен Ws (1) көрсетіледі. Ферментердің өнімділігі органикалық субстрат бойынша өсудің энергиялық шығымына тәуелділігі түзу сызықпен көрсетілетіндіктен, оттегі бойынша – гиперболамен көрсетілген, бұл қисықтардың қиылысуы мүмкін. Ферментердің өнімділігі энергиялық шығымның мәнінен төмен орналасқан түзумен сипатталады. Ферментерге органикалық субстратты беру жылдамдығы органикалық субстрат пен оттегі бойынша өнімділігінің қиылысқан сызығы өсудің энергиялық шығымының мәндерінің аумағында болғаны дұрыс. Мұны ортаға берілетін органикалық субстраттың концентрациясын немесе ағымның жылдамдығын төмендету немесе жоғарылатумен іске асыруға болады. Егер зауыттағы ферментер шығымы біресе жоғарылап, біресе төмендесе, өсудің энергиялық шығымын бақылай отырып, органикалық субстраттың берілуін жоғарылатып немесе төмендете отырып жасау қажет. Мұндай алгоритмді ферментермен тікелей байланыстырылған ЭЕМ-ге енгізуге болады. Егер, лимиттейтін фактор оттегі болған болса, онда органикалық субстраттың берілуін жоғарылату керек, алайда артық субстрат пайдаланылмай қалады. Егер, керісінше өсуді органикалық субстратпен лимиттеу қажет болса, оған берілетінді бірнеше рет төмендету қажет. Азот бойынша ферментердің өнімділігі өсудің энергиялық шығымына тәуелсіз болады. Басқа минералды компоненттерді ферментация үрдісі жүретін ортадағы оттегі және органикалық субстратты барынша тұтыну деңгейлерінен бірнеше есе жоғары берген дұрыс. Осы жағдайда бұл компоненттер өсу үрдісі мен ферментердің өнімділігін және энергетикалық шығымның жоғарылауын барынша төмендетпейді. Хемостатты түрде өсіру режимінің өзгеруі, өсудің меншікті жылдамдығы сақталса да өзгеруі мүмкін екені белгілі. Сол себептен өсудің энергиялық шығымына әсер ететін температура немесе басқа да факторлардың өзгеруі кезінде барынша өсуді болдыратын факторлардың ауысуы мүмкін. Осыған орай, микроорганизмдерді культивирлеу режимін ауыстырғанда, барынша өсу үрдісін болдыратын азықтық компоненттің ауысуы іске асатынын тексеріп отыру қажет. Бұл жағдайда, ферментерге барынша өсуді болдыратын компоненттің бірлік мөлшерін енгізу қажет. Егер сол компонент шын мәнінде барынша өсуді болдыратын болса, тез арада немесе бірнеше уақыттан соң оттегін және аммиакты пайдалану жылдамдығының өскенін және CO2 пайда болғанының жоғарылағанын байқауға болады. Осылайша, микроорганиздердің биомассасы өсуі кезінде өсудің материалды-энергетикалық балансының кейбір мүмкіндіктерін қазіргі заманғы есептегіш техникасын қолдана отырып, биомассаның тиімді өсуіне қолайлы жағдай жасауға болады және ферментердің өнімділігінің тиімділігін бағалауға болады. жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|