Кислород в процессах ферментации

Биореактор. Аппараты для проведения процессов культивирования микроорганизмов — биореакторы — можно рассматривать как технические системы, предназначенные для преобразования необходимых материальных и энергетических потоков в процессе роста и размножения клеток. Биохимические реакторы представляют собой основное технологическое оборудование, элементы схемы производства в целом, а эффективность их функционирования определяет в основном технико-экономические показатели биотехнологической системы. Многообразие форм конструктивного оформления биореакторов определяется технологическими и микробиологическими требованиями осуществляемого процесса ферментации. Так, схема на рис. 1.4 иллюстрирует различные процессы микробиологического синтеза, осуществляемые в промышленных биореакторах, а также основные условия их проведения. В биореакторе необходимо поддержание заданной температуры культивирования 1, давления Р, pH среды, окислительно-восстановительного потенциала еН, уровня растворенного кислорода Со времени ферментации т и концентрации лимитирующего субстрата 5. Для обеспечения заданных физико-химических параметров протекания процесса в биореакторе должны быть выдержаны необходимые условия тепло- и массообмена, аэрации среды и режима гидродинамического перемешивания. Рассмотренные на схеме процессы осуществляются в результате глубинного культивирования микроорганизмов в условиях аэрации и перемешивания среды. Известны также биореакторы для осуществления процесса путем поверхностного культивирования клеток с использованием микробиологических пленок и флокул, а также биореакторы для процессов с иммобилизованными на носителях ферментами [22]. [c.12]

Мембраны с высокими проницаемостями можно использовать в тех случаях, когда не требуется высокая селективность. В качестве примера можно указать процесс получения обогащенного кислородом воздуха для медицинских целей или получение стерильного воздуха для аэробных процессов ферментации [4]. Мембраны с высокой проницаемостью могут использоваться также для отделения органических паров от неконденсирую-щихся газов, таких как азот. [c.426]

Ранее в качестве питательной среды использовали газообразные алканы, прежде всего метан. Бактерии, ассимилирующие метан, сначала окисляют его в метанол. Такой процесс ферментации складывается из следующих операций. Бактерии суспендируют в питательный раствор, через который пропускают воздушно-метановую смесь. В растворе в качестве минеральных солей, необходимых для размножения дрожжевых клеток, находятся аммониевые соли. Твердая масса бактерий выделяется из содержимого в ферментаторе центрифугированием. Полученную центрифугированием массу промывают и просушивают. Выход дрожжей высокий. Из 100 ч. (по массе) метана получают 75 ч. готового клеточного материала. Применение газообразных алканов создает и некоторые проблемы — повышенная потребность в кислороде 1 г дрожжей нуждается в 5,3 г кислорода и т. п., смесь метана и кислорода небезопасна (взрывчатая смесь), микроорганизмы трудно отделяются центрифугированием от жидкой фазы. [c.206]

Сопоставляя зависимости (2.70) и (2.72), можно установить взаимосвязь скорости потребления кислорода и субстрата (или выхода биомассы в процессе ферментации). [c.83]

Если не требуется высокая селективность, можно использовать высокопроницаемые материалы, например, при получении обогаш енного кислородом воздуха для медицинских применений, процессов горения, получения стерильного воздуха для аэробных процессов ферментации. Другое использование — это отделение органических паров от неконденсирующихся газов, таких, как азот (воздух ), когда высоких селективностей можно достичь и при применении высокопроницаемых материалов. Проницаемость любого высокоэластического материала для азота значительно ниже, чем для любых органических паров, что и определяет возможность выбора в таких случаях высокопроницаемого высокоэластического материала. [c.324]

Подготовка стерильного сжатого воздуха и очистка отработанного воздуха Одной из важных задач биотехнологии является получение большого количества стерильного воздуха В наибольших масштабах стерильный воздух применяется в процессах ферментации для аэрации Его также используют для вентиляции участков цехов так называемой стерильной зоны, где в асептических условиях проводят, например, последние стадии очистки готового продукта В атмосферном воздухе, наряду с инертными газами, азотом, кислородом, диоксидом углерода, содержатся пары воды и мелкодисперсные частицы Более 30% массы частицы имеют размер 1—2 мкм и около 50% — меньше 0,5 мкм В состав дисперсных частиц, наряду с частицами пыли, копоти, входят клетки и споры микроорганизмов как в свободном, так и в [c.319]

Анаэробный процесс (в отсутствие растворенного в воде кислорода) метановой ферментации происходит по схеме [c.147]

Расчеты, приведенные в работе [20] для рабочего диапазона изменения переменных процессов ферментации, показали существенное влияние вязкости жидкости, концентрации мицелия и интенсивности перемещивания на скорость потребления кислорода микроорганизмами. Увеличение вязкости ферментационной жидкости и концентрации мицелия приводит к увеличению кажущейся константы Моно и к уменьщению интенсивности дыхания для заданного уровня концентраций растворенного кислорода. Из этого следует, что величина концентраций (парциального давления) растворенного кислорода для процесса биосинтеза не остается постоянной в течение всего процесса, а изменяется с изменением концентрации биомассы, вязкости среды, скорости вращения мешалки. Этот вывод хорошо согласуется с экспериментальными данными [15, 42]. [c.98]

При интенсивном перемешивании культуральной среды в процессе ферментации часто происходит ее вспенивание. Это может привести к переувлажнению фильтра в отверстии, через которое воздух выходит из биореактора, и уменьшению его потока, а также к попаданию в реактор посторонних микроорганизмов. Для контроля пенообразования используют химические пеногасители или механические сбиватели пены. Однако в присутствии химических реагентов может ухудшаться перенос кислорода, а иногда происходить ингибирование клеточных ферментов, что уменьшает скорость роста микроорганизмов. Кроме того, если пеногасители не удалять, они могут загрязнять конечный продукт. Проблему вспенивания можно решить, если оставить в верхней части биореактора достаточно большое пустое пространство, в котором лопались бы пузырьки воздуха. Правда, в этом случае рабочий объем реактора уменьшится примерно на 25%. [c.358]

Главные компоненты органических соединений — углерод, водород и кислород второстепенные элементы — азот, фосфор, сера и некоторые металлы. Каж дый атом углерода имеет четыре ковалентные связи. Некоторые органические вещества — природного происхождения, например волокна растений и ткани животных другие могут быть получены в результате реакций синтеза (резина, пластмассы и т, д.) или процессов ферментации (спирты, кислоты, антибиотики и др.). В отличие от неорганических соединений органические веп ества обычно горят, имеют высокую молекулярную массу, в очень небольшой степени растворимы в воде, в реакции вступают чаще в молекулярной форме, чем в ионной, являются источником пищи животных и подвержены распаду под воздействием микроорганизмов. [c.20]

Согласно развиваемому системному подходу к анализу сложной совокупности процессов на микро- и макроуровнях, к эффектам, определяющим поведение системы на макроуровне, относится массопередача. Массообменные процессы в биореакторе непосредственно влияют на рост микроорганизмов, определяя скорость транспорта питательных веществ к клеткам и отвод продуктов метаболизма в среду в количестве, соответствующем стехиометрическим коэффициентам. Наибольший практический интерес, с точки зрения ограничения скорости процесса ферментации, представляют такие элементы питания, как кислород и углеродсодержащий субстрат, учитывая большую удельную потребность в них клеток, низкую растворимость в культуральной жидкости и присутствие в ферментационной среде в виде дисперсных фаз. [c.87]

Как следует из табл. 2.14, затраты на теплопередачу соизмеримы с затратами на массоперенос кислорода, в связи с чем условия теплопередачи могут быть решающими при выборе эффективных субстратов для биосинтеза и организации процесса ферментации. [c.102]

Относительная стоимость затрат на субстрат , кислород и теплообмен в процессе ферментации [c.102]

Модель идеального перемешивания для аэробного процесса ферментации. Система уравнений модели относительно концентраций микроорганизмов, субстрата и растворенного в культуральной жидкости кислорода имеет вид uXo + hi(S, X, )XV= vX + V dX/dt) [c.140]

Величину разности (С —С ) фактически равной = 1,, учитывая, что поступающий в реактор жидкостный поток предварительно неаэрирован. Уравнения модели описывают процесс ферментации аэробной культуры микроорганизмов в реакторе идеального перемешивания, когда концентрация растворенного в среде кислорода влияет на скорость роста клеток. [c.140]

Все переменные, которые необходимо измерять, можно разделить на три группы первая — параметры, характеризующие состояние сред жидкостных и газовых потоков, сред в аппаратах вторая — физиологические параметры третья — параметры, характеризующие состав культуры. К параметрам, характеризующим состав среды, обычно относят температуру, pH, концентрацию растворенного кислорода, скорость перемешивания, интенсивность аэрации, концентрацию солей. Физиологические параметры подразделяются на две группы относящиеся к продуктам метаболизма (количество биомассы и внеклеточных метаболитов) и описывающие состояние метаболизма. Многие из этих переменных могут быть измерены непосредственно в процессе ферментации и использованы для управления. Значения же переменных, которые не могут быть измерены, рассчитываются по значениям других переменных или с использованием косвенных измерений. Уже на этом этапе проявляется важность роли вычислительной техники, заключающейся в формировании надежных корреляций и выполнении необходимого объема расчетов недостающих значений параметров по этим корреляциям. [c.253]

Основные научные работы посвящены изучению химизма дыхания растений. Первым предложил общую теорию превращения двуокиси углерода в органические соединения под действием воды н солнечного света. Применил методы количественного химического анализа при изучении дыхания растений и усвоения ими минеральных веществ. Экспериментально доказал, что растение на свету усваивает углерод из его двуокиси с выделением кислорода, а при дыхании поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Исследовал процессы ферментации. Достаточно точно для своего времени определил (1814) состав винного спирта. Показал (1807), что серный эфир не содержит ни серы, ни серной кислоты и что его можно получить из спирта без применения серной кислоты. Проводил (1820) анализ эфирных масел. [c.473]

Вопрос о влиянии физических свойств ферментных жидкостей на скорость подачи кислорода мало освещен в литературе. Характеристики пульпы сильно влияют на скорость растворения кислорода в ферментной жидкости. Кроме того, эти характеристики изменяются в процессе ферментации. Изменения, которые могут происходить, касаются вязкости и поверхностного натяжения. 0>бе эти величины воздействуют на эффективность аэрации, поскольку они влияют на размер пузырьков (поверхность массообмена), турбулентность в жидкости и на условия сопротивления граничной пленки. [c.296]

Вторая фаза может протекать в присутствии кислорода воздуха. После окончания выдержки культуральной жидкости с предшественником из нее отбирается проба на определение содержания витамина В12 и в чан вносится 0,07% роданистого аммония от объема к. ж. Роданистый аммоний применяется как стабилизатор витамина В12. Культуральная жидкость к концу процесса ферментации содержит от 6 до 10 мкг на 1 мл витамина Bi2- [c.87]

Широкое распространение в последние годы получили колонные ферментаторы, секционированные по высоте тарелками различной конструкции. На рис. 25 представлен такой аппарат с выносным теплообменником. Аппарат включает емкость для выращивания микроорганизмов (ферментатор) и удлиненный трубопровод /, связанный с ферментатором. Культуральная жидкость перекачивается насосом 5 из ферментатора через трубопровод снова в ферментатор. При протекании жидкости по трубопроводу через нее пропускается кислород. Рубашка на трубопроводе обеспечивает отвод тепла, выделяемого в процессе ферментации. Аппарат соединяется с емкостью для сбо- [c.102]

Экономически важно при проведении процессов ферментации знать расход энергии на перемешивание жидкости. Перемешивание здесь необходимо для предотвращения образования сгустков мицелл и обеспечения доступа микроорганизмов в насыщенную кислородом жидкость. В ферментерах больших размеров потребляемая мощность может оказаться довольно высокой. Ее следует оценить для того чтобы сравнить с расходом энергии при применении сосудов с мешалками. [c.664]

Теряется время между периодами наращивания культуры, которое могло бы использоваться для продукции В процессе ферментации меняются условия в ферментере. Истощаются питательные вещества и накапливается продукт. Увеличивается выход тепла, продукция кислоты или щелочи, поглощение кислорода. Таким образом, постепенно условия становятся неблагоприятными, и скорость роста постепенно снижается. См. график на рис. 12.8 [c.68]

Выход лизина тесно связан с основными параметрами процесса ферментации температурой, концентрацией растворенного кислорода, длительностью культивирования, дозой и возрастом посевного материала. [c.37]

Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в сильной степени определяется отношением микроорганизма — продуцента к кислороду и, следовательно, к воздуху. Большинство современных микробиологических производств используют аэробные культуры, которые в своем развитии требуют присутствия кислорода. Это ставит в качестве одной из важнейших задачу обеспечения необходимой концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе в течение всего процесса ферментации, причем необходимо учитывать, что потребность культуры в кислороде может меняться в разных фазах развития. В этой связи ферментационное оборудование аэробных процессов и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен — перенос кислорода из газовой в жидкую фазу — обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста. Обычно хорошее снабжение клеток кислородом достигается за счет оптимизации массообменных характеристик, определяющих скорость растворения кислорода в воде, так как другой возможный путь — изменение парциального давления О2 в газе, например, за счет увеличения общего давления — менее удобен и связан с рядом технологических сложностей. [c.20]

Подготовленное сырье освобождают в декантаторе от взвешенных частиц и непрерывно подают в нижнюю часть ферментера (метантенка) емкостью 4200 м . Одновременно в ферментер поступает посевной материал культуры микроорганизмов, предварительно выращенный в специальных аппаратах. Для выращивания продуцента требуются облигатно анаэробные условия, ибо даже следы кислорода подавляют рост бактерий. При создании анаэробных условий в среду подают диоксид углерода или газы, вьщеляющиеся в процессе ферментации. Ежедневно из метантенка отбирают 25 — 30 % объема среды. Продукт ферментации стабилизируют, подкисляя соляной или фосфорной кислотой до pH 6,3 —6,5 и добавляя 0,2—0,25 % сульфита натрия, что предотвращает разрушение витамина при тепловой обработке, особенно существенное в щелочной среде. В дальнейшем отобранная часть культуральной жидкости дегазируется, упаривается в вакууме кон- [c.56]

Вторым крайне необходимым элементом является кислород. Он слабо растворяется в реакционной массе, в связи с чем обеспечение процесса ферментации кислородом зависит от массопереноса. [c.51]

Чтобы прогнозировать и оценивать некоторые необходимые параметры процесса ферментации, желательно точно знать величины Кь я а для ферментационного бульона. Практически эти величины отделить очень трудно, поэтому приходится использовать общий коэффициент массопереноса, кьа. В этих условиях следует рассмотреть теоретические основы насыщения воздухом к перемешивания. В тех случаях, когда потребность в кислороде обеспечивается, Ыа можно также выразить в виде [c.62]

Другим важным моментом, характеризующим потребление кислорода й процессе ферментации, является поддержание концентрации растворенного в среде кислорода на уровне выше критической величины Скрпт- Величина Скрит составляет не более 2—10 % концентрации насыщения среды кислородом. При уменьшении текущей концентрации растворенного в среде кислорода ниже дан- [c.84]

Рассмотрим далее пример модели колонного биореактора, описываемого диффузионной моделью, с учетом лимитирующего влияния на процесс ферментации концентрации растворенного кислорода. В этом случае на характер распределения рабочей концентрации кислорода в бпореакторе колонного типа оказывают влияние структура жидкостного и газового потоков, скорость транспорта кислорода из газа в жидкость, скорость утилизации кнсло- [c.158]

Определение легких газов, таких как водород, кислород, азот, диоксид углерода, монооксид углерода, аргон и водяной пар, может вьтолняться с помощью масс-спектрометрии. Учитывая чувствительность масс-спектрометров при определении этих газов, масс-спектрометрию для промышленного контроля обычно применяют в процессах ферментации [16.4-34], для контроля топочных газов в сталелитейном производстве [16.4-35]. Другим основным применением промышленной масс-спектрометрии является мониторинг окружающей среды и атмосферы [16.4-36-16.4-38]. Масс-спектрометры также часто используются для определения различных углеводородов. При анализе сложных смесей этих веществ наблюдаются значительные перекрьтания линий в масс-спектрах, поэтому необходимо использование специальных методов обработки спектральной информации. Кроме того, масс-спектрометры применяются для обнаружения течей в заводских вакуумных системах [16.4-39]. [c.662]

Промежуточное положение занимают факультативно анаэробные микроорганизмы, например спиртовые дрожжи, которые нормально растут в среде без особого воздушного аэрирования. Метанокисляющие бактерии, используемые для биосинтеза витамина В12, не переносят присутствия кислорода, поэтому в начале процесса ферментации через культуральную жидкость продувают СО2 для деаэрации и перемешивания. При производстве хлебопекарных и кормовых дрожжей среду интенсивно аэрируют, продувая за 1 мин через каждую единицу объема среды 1—2 ед. объема воздуха, причем последний должен быть тонко диспергирован в среде. В среднем можно считать, что в аэробных условиях при окислении глюкозы до СО2 на каждый грамм глюкозы нужен 1 г кислорода. [c.55]

Представление о процессе ферментации дает следующий пример выращивания Methanomonas в ферментаторе с замкнутой системой циркуляции газовой смеси по периодической схеме культивирования. Состав газовой смеси следующий 8—11% кислорода, 10—15 /о метана, не более 5% углекислого газа, остальное— азот. Газ непрерывно пропускается через культуральную жидкость — раствор солей, в котором суспендирована культура клеток. По мере образования избыточный углекислый газ поглощается в колоннах с натронной известью. Температура культи- [c.120]

При лимитировании роста продуцента по какому-либо источнику питания (углерод, азот, сера, фосфор) или по кислороду происходит накопление полиоксибутирата, синтезирующегося через АцКоА. Процесс ферментации может быть одностадийным или двухстадийным, когда вначале накапливают биомассу клеток на сбалансированной среде по источникам питания и дыхания, а затем ее переводят в условия лимитированного роста и развития. [c.479]

Наблюдая поглощение большого количества кислорода при ферментации чая, Курсанов (1943) высказал предположение, что этот процесс носит характер окислительной конденсации. Изучение молекулярного веса продуктов конденсации катехинов, образующихся при ферментации (Курсанов, Джемухадзе, Запрометов, 1947), показало, что во время ферментации происходит лишь удвоение молекулярного веса исходных соединений. В соответствии с этим Курсановым, Джемухадзе и Запрометовым была предложена схема димеризации катехинов, предусматривавшая их [c.199]

Рассчитать ферментер, предназначенный для непрерывного проведения процесса ферментации по следующим данным. Производительность по биомассе Со = 1 т-сутки . Исходная концентрация питательных веществ Со = 39 кг-м . Конечная концентрация питательных веществ С = 7 кг-м . Остаточная влажность биомассы 10%. Количество питательной среды, затрачиваемой на образование 1 кг биомассы, а = 1,2 кг-кг . Концентрация питательных веществ при условии скорости роста гСО.бгмакс и отсутствии продуктов обмена Сус= 1 кг-м . Концентрация продуктов метаболизма, понижающая скорость роста биомассы в два раза, равна Сп.м= 12 кг-м . Коэффициент фазового равновесия для суспензии биомассы данной концентрации Кр = 35. Удельная теплота образования 1 кг биомассы составляет (—ДЯг) = = 16,8-10 кДж-кг- . Температура выращивания биомассы Тр = = 307 К. Давление е реакторе — атмосферное. Удельный расход кислорода на образование 1 кг абсолютно сухой биомассы равен к = 2,0 кг-кг . Удельный расход воздуха на 1м перемешиваемого объема жидкости в 1 ч составляет 150 м . Питательная среда охлаждается в теплообменнике на 4 К- Коэффициент теплопередачи по экспериментальным данным равен К = 930 Вт(м -К) . Охлаждающая вода нагревается в теплообменнике на 7 К. [c.241]

На рис. XIII. 2 представлена динамика роста продуцента и образования стрептомицина в процессе ферментации. Результаты исследований показывают, что максимальное количество кислорода, поглош,аемого средой, соответствует 12 ч, а максимальный прирост биомассы относится к 36 ч. [c.291]

Производство стрептомицина распадается на четыре главные стадии прививка и ферментация, извлечение, очистка и окончательное приготовление препарата [ )3, о4]. Питательная среда для ферментации представляет собой разбавленный водный раствор, который содержит 1 /о глюкозы, 0,5% пептона, 0,5% мясного экстракта и 0,5% соли. Этот раствор тщательно стерилизуется и перед прививкой охлаждается. После прививки устанавливается нужная температура ферментация проводится при 25-30 . Крайне существенно поддерживать в. это время полную стерильность среды. Процесс ферментации длится обычно несколько дней, и все это время жидкость подвергается перемешиванию стерилизованным воздухо. г. Аэрация необходима ввиду того, что микроорганизмы, вырабатыва-ю щие стрептомицин, требуют для своего роста кислород. [c.382]

Эти уравнения должны быть рассмотрены во всех аэробных микробиологических процессах, если парциальные давления растворенного кислорода рОг или растворенного углекислого газа рС02 в процессе ферментации в изучаемых условиях аэрации и перемещивания изменяются в пределах, влияющих на скорость роста и развитие культуры микроорганизмов. [c.13]

Высушенный табак подвергается далее процессу ферментации. Ферментация сводится к выдерживанию табака в течение определенного времени при повышенной температуре и определенной влажности. С биологической стороны ферментация характеризуется значительным поглощением кислорода кроме того, происходит некоторое выделение СО., также характерно сильное разогревание ферментирующегося табака. Природа происходящих здесь процессов совершенно неясна. Ферментация табака значительно улучшает его качества окраска выравнивается, в табаке развивается аромат, горючесть, вкус кроме того, уменьшается его влагоемкость и увели ив ет-ся эластичность ткани. Тех1юлогическая обработка табачного сырья собственно и заключается в его ферментации. [c.435]

Аэрация и перемешивание в ходе процесса ферментации являются важными факторами, влияющими па образование целевого продукта. Потребность в аэрации на стадии роста и стадии биосинтеза лизина у разных продуцентов неодинакова. Так, для М. glutami us 95 при культивировании на питательной среде с 15% мелассы и 3% кукурузного экстракта, для максимального роста требуется менее интенсивная аэрация, чем для ма-ксимального образования лизина (/(Г =2,4 и 3,6гОг/л час. соответственно). Снижение в 2,0 раза приводит к уменьшению выхода продукта в 3 раза и почти не отражается на выходе биомассы (Зайцева, 1966а). С увеличением концентрации компонентов питательной среды (особенно мелассы) увеличивается и потребность в растворенном кислороде. Недостаток иоследнего приводит к усилению образования аланина (до 3 г/л) и молочной кислоты (до 10—18 г/л) (Зайцева и др., 1975). [c.168]

Несмотря на столь широкий интерес к твердофазной ферментации, с помощью которой можно получать кроме кормового белка этанол, метан, ферменты, некоторые химические соединения, до настоящего времени нет четкого представления о таких процессах, как потребление субстрата, перенос кислорода. Неясно также, как в условиях поверхностного культивирования Оценивать рост, контролировать системы для поддержания ряда параметров, какие использовать математические модели и конструкции ферментеров и как автоматизировать сами процессы ферментации (Tengerdy, 1985 Lonsane et al., 1985). [c.118]