Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия
Время
Метаболитыметодов |
Периодическая ферментация с добавлением субстрата |
||
и непрерывная ферментация |
|
||
ВВЕДЕНИЕ. Периодическое добавление субстрата |
наблюдаются различные условия: динамика измене- |
||
биотехнологических |
в биореактор позволяет увеличить продолжитель- |
ний состава питательной среды, концентрации био- |
|
ность экспоненциальной фазы, во время которой |
массы и продукта аналогична тому, что происходит |
||
|
|||
|
синтезируются большинство белковых продуктов, по- |
при периодической ферментации в различные про- |
|
|
этому в современной промышленности этот тип фер- |
межутки времени. В стационарном состоянии рост |
|
|
ментации находит все большее применение. Непре- |
биомассы поддерживается на постоянном уровне |
|
|
рывная ферментация имеет важное значение для |
благодаря удалению клеточной суспензии из реакто- |
|
|
изучения закономерностей клеточного роста и мета- |
ра. Концентрация субстрата S и скорость образова- |
|
|
болизма, однако в промышленных целях применяет- |
ния продукта Qx остаются постоянными. В этих усло- |
|
|
ся очень редко. |
виях, если скорость образования продукта не зависит |
|
|
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ С ДОБАВЛЕНИЕМ |
от скорости роста клеток, можно считать, что ско- |
|
Основы |
СУБСТРАТА (FED BATCH). Этот тип ферментации |
рость образования продукта Qx пропорциональна ско- |
|
имеет два важных преимущества. Многие ценные |
рости прохождения клеток через реактор. Если целе- |
||
|
|||
|
продукты (антибиотики, внеклеточные ферменты, по- |
вой продукт является продуктом вторичного обмена, |
|
|
лисахариды и др.), получаемые при промышленном |
т. е. процессы роста биомассы и синтеза продукта |
|
|
культивировании микроорганизмов, являются вторич- |
являются сопряженными, математическая модель |
|
|
ными метаболитами, т. е. синтезируются по оконча- |
процесса непрерывной ферментации значительно ус- |
|
|
нии экспоненциальной фазы роста клеток. Для того |
ложняется. Непрерывная ферментация имеет очень |
|
|
чтобы восполнять истощившуюся к этому времени пи- |
важное значение для подбора и усовершенствования |
|
|
тательную среду, в нее необходимо добавлять свежие |
условий промышленной ферментации, а также для |
|
|
питательные вещества, а также вещества-предшест- |
изучения влияния пониженного содержания опреде- |
|
|
венники продукта. Периодическое, а не разовое вве- |
ленного компонента среды на клеточный рост. В про- |
|
|
дение глюкозы предотвращает замедление роста в |
мышленности непрерывная ферментация не находит |
|
|
результате так называемого ингибирования избытком |
широкого применения, однако эти процессы исполь- |
|
|
субстрата. Процесс биосинтеза антибиотиков часто |
зуются при аэробной или анаэробной очистке сточ- |
|
|
зависит от скорости образования некоторых катабо- |
ных вод, а также в пивоварении и производстве чело- |
|
|
литов, поэтому для высокой эффективности синтеза |
веческого инсулина с помощью рекомбинантных |
|
|
необходимо в определенной мере ограничивать дос- |
штаммов дрожжей. По сравнению с периодической |
|
|
тупность тех или иных источников углерода, азота и |
ферментацией непрерывная ферментация имеет |
|
|
фосфора. Такая регуляция становится возможной при |
ряд недостатков: a) экономические преимущества |
|
|
осуществлении периодической ферментации с добав- |
непрерывного процесса проявляются лишь через |
|
|
лением субстрата. При культивировании пекарских |
500–1000 часов ферментации, однако затраты на |
|
|
дрожжей в питательной среде с высоким содержани- |
поддержание стерильности реактора в течение столь |
|
|
ем сахара наблюдается высокая удельная скорость |
продолжительного времени могут оказаться весьма |
|
|
роста , однако из-за интенсивного образования эта- |
значительными; б) контроль и поддержание однород- |
|
|
нола рост клеток при аэробной ферментации замед- |
ного состава питательной среды в течение длитель- |
|
|
ляется (так называемый эффект Крэбтри). Если це- |
ного периода также требуют дополнительных мер; в) |
|
|
лью периодической ферментации является получение |
далеко не все рекомбинантные штаммы, использу- |
|
|
биомассы дрожжей, необходимо избегать аэробных |
емые в промышленности, сохраняют свои генетиче- |
|
|
условий и постепенно добавлять глюкозу. |
ски запрограммированные свойства в течение про- |
|
|
НЕПРЕРЫВНАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ. При непрерывной |
должительного времени. |
|
|
ферментации в культуру постоянно подают свежие |
|
|
|
питательные вещества и одновременно из нее отво- |
|
|
|
дится такой же объем клеточной суспензии. Непре- |
|
|
|
рывную ферментацию можно проводить в реакторе с |
|
|
|
постоянной скоростью подачи питательных веществ |
|
|
|
(хемостате), в реакторе, в котором поддерживается |
|
|
|
постоянное количество клеток (турбидостате) или в |
|
|
|
реакторе идеального вытеснения (plug-flow), в кото- |
|
|
|
ром суспензия клеток направленно поступает в реак- |
|
|
|
тор, а на выходе удерживается и вновь подается на |
|
|
|
вход. Использование реакторов идеального вытесне- |
|
|
206 |
ния особенно важно при подборе оптимальных усло- |
|
|
вий ферментации. В разных участках реактора |
|
||
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Непрерывная ферментация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Типы реакторов |
|
|
|
|
Скорость разведения и выход продукта |
|
|
|||||
Хемостат |
Турбидостат |
Реактор идеаль- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного вытеснения |
5 |
|
10 |
|
|
|
|
5 |
|
||
Продукт |
Продукт |
Продукт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Измерение |
|
|
|
4 |
|
8 |
|
|
|
|
4 |
|
|
оптической |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
плотности |
|
Рециркуляция клеток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DX, г/(л ч) |
|
|
|
X, г/л |
3 |
|
6 |
|
|
|
, ч |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|||
|
|
|
2 |
|
4 |
|
|
|
t |
2 |
|||
|
|
|
|
|
S,г/л |
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
0,25 |
0,50 |
0,75 |
1,00 |
|
|
|
Питательная |
Питательная |
Питательная |
|
|
|
Скорость разведения, ч–1 |
|
|
|
||||
среда |
среда |
среда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(постоянная |
(постоянная |
(постоянная |
|
|
|
концентрация субстрата, г/л |
|
|
|||||
скорость |
клеточная |
скорость |
|
|
|
|
биомасса, г/л |
|
|
|
|
||
поступления) |
масса) |
поступления) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
время удвоения, ч |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
скорость образования клеток, г/(л ч) |
||||||
|
Уравнения, описывающие превращения биомассы и субстрата |
|
|
|
|
||||||||
Биомасса |
|
|
|
|
|
|
|
экономический коэффициент, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
б/р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
константа Моно, г/л |
|
|
|||
Субстрат |
|
|
|
|
|
|
|
концентрация субстрата |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
на входе, г/л |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
концентрация субстрата |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
в ферментере, г/л |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
cкорость разведения, ч–1 |
|
|
|||
В стационарной фазе: |
|
|
|
|
|
|
биомасса, г/л |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
скорость роста клеток, ч–1 |
|
|
|||
|
и μ = D |
|
|
|
|
|
|
максимальная скорость |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
роста клеток, ч–1 |
|
|
|
||
следовательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Периодическая ферментация |
|
Образование пенициллина |
|
|
|
|
|
||||||
|
Биореактор |
|
|
|
|
|
|||||||
|
при периодическом добавлении глюкозы |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
пенициллина, ед./л |
|
Добавление |
|
|
|
Добавление глюкозы, г/(л ч) |
|
|
||
|
|
|
160 |
глюкозы |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Резервуар |
|
|
120 |
|
|
Пенициллин |
|
50 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
для субстрата |
Контроль |
|
Концентрация |
80 |
|
|
|
|
|
40 |
Концентрация биомассы, г/л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
по принципу |
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
||
|
обратной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
связи* |
|
40 |
|
Биомасса |
|
|
20 |
|
|
|||
|
Детектор |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
24 |
72 |
128 |
168 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
* например, по массе |
|
|
|
|
|
Время, ч |
|
|
|
|
207 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перемешивание в реакторе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мешалка типа MIG |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мешалка типа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Inter-MIG |
|
Крыльчатые диски |
|
|
Турбинные мешалки |
|||||
|
|
|
Характеристики турбулентных потоков |
||||||
|
Число Рейнольдса (Re) |
|
|
|
|
||||
|
Re = |
Сила инерции |
= |
d |
2nρ |
(безразмерная величина) |
|||
|
|
Вязкость |
|
R |
|||||
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Потребление энергии |
||||
|
Показатель мощности (Ne) |
|
|
|
|||||
|
Ne = |
|
Сила тяги |
= |
|
Po |
(безразмерная величина) |
||
|
Сила инерции |
dR5n3ρ |
|||||||
|
dR |
= |
Диаметр мешалки, м |
η |
= |
Динамическая вязкость |
|||
|
n |
= |
Скорость вращения |
|
|
раствора, Па с |
|||
Подача воздуха |
Подача воздуха |
|
мешалки, с–1 |
|
|
Po |
= |
Мощность мешалки, Вт |
|
|
|
|
|
|
ρ |
= |
Плотность, кг/м3 |
||
Системы аэрации реакторов
Перфорированное |
Перфорированная |
Инжектор |
Мешалка с устройством |
кольцо |
пластина |
|
для аэрации |
|
|
|
Газ |
Жид- |
|
|
Жид- |
кость |
|
|
кость |
|
|
Газ |
|
Газ |
Газ |
|
Жидкость |
|
|
|
|
|
|
|
|
Потребность в кислороде |
|
|
|
Скорость поглощения кислорода |
|
||||||
QO |
|
= XqO |
|
= kLa (CO* – CO ), моль/(л ч) |
qO2 |
= qO2max |
CO |
2 |
, моль/(л ч) |
|
|
|||||
|
|
2 |
|
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
KO2 |
+ CO2 |
|
|
|||||||||
q |
|
max = Максимальная скорость поглощения |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
O2 |
кислорода, моль/г ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
CO2 |
= Концентрация растворенного кислорода, моль/л |
||||||||||||
qO2 |
= Скорость поглощения кислорода, моль/г ч |
C |
* = Насыщающая концентрация кислорода, моль/л |
|||||||||||||
|
|
|
= Объемный коэффициент массопередачи (kLa), ч–1 |
|
O2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
kLa |
K |
O2 |
= Константа Михаэлиса для О |
, моль/л |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
X= Концентрация биомассы, г/л
|
Кислородный обмен: |
|
|
|
|
Объемная скорость подачи воздуха |
|
|
||||
|
коэффициент массопередачи kLa |
|
|
|
|
Объем воздуха |
||||||
|
|
P α |
B = |
|
, мин–1 |
|||||||
|
|
Емкость реактора мин |
||||||||||
|
kLa = |
|
(uG0)β, ч–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
VR |
Показатель аэрации (NВ) |
|||||||||
|
k, α, β = Константы (безразмерная величина) |
NB = |
|
VG |
(безразмерная величина) |
|||||||
|
ndR3 |
|||||||||||
|
P |
= Мощность мешалки, Вт |
|
|
|
|
|
|
||||
|
VG |
= Скорость потока газа, м3/с |
||||||||||
|
VR |
= Объем реактора, м3 |
n |
= Скорость вращения мешалки, с–1 |
||||||||
|
uG0 |
= Скорость подачи газа, м/с |
dR |
= |
Диаметр мешалки, м |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
209 |
|