Кинетика микробиологических процессов

Математические модели кинетики роста микроорганизмов, образования продуктов биосинтеза и утилизации субстратов отличаются от известных моделей химической кинетики. В основу большинства используемых моделей роста микроорганизмов положены уравнения ферментативной кинетики микробиологических процессов [1—4, 23, 27]. Однако, учитывая значительное число протекающих в клетках стадий биохимических ферментативных реакций, применение законов ферментативной кинетики носит в большинстве случаев формальный характер. Отличительной особенностью большинства моделей является использование в качестве основного параметра модели численности или концентрации микробной популяции. Именно большая численность микробных популяций позволяет широко применять при моделировании кинетики роста детерминистический подход, опирающийся на хорошо развитый аппарат дифференциальных уравнений. В то же время известны работы, в которых используются стохастические модели кинетики [25]. Среди них распространены работы, основанные на простой концепции рождения и гибели , что в математическом аспекте позволяет применять аппарат марковских процессов. В более сложных моделях микробная популяция представляется Б виде конечного числа классов, каждый из которых ха- [c.53]

КИНЕТИКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ [c.52]

В настоящее время известно большое число математических моделей кинетики роста микробных популяций, рассмотренных в обзорных работах [1, 4, 23, 37, 39]. В связи с этим при описании конкретного микробиологического процесса важное значение приобретает задача идентификации различных моделей и постановка специальных дискриминирующих экспериментов [17]. Кинетическая модель представляет соотношение скорости развития общей численности популяций и влияние на нее комплекса факторов окружающей среды, в которой популяция развивается. При [c.54]

Например, в случае развития микробиологического процесса, который имеет место во всех пластах Ромашкинского месторождения, математическое описание кинетики фильтрации жидкости значительно усложняется, так как для этого требуется дополнительная информация о распределении биомассы по микропорам среды, данные по кинетике накопления и подавления микрофлоры и т.д. [c.137]

Зависимость скорости микробиологического процесса от текущего состояния системы субстрат - микроорганизмы характеризует кинетику этого процесса. Кинетическое уравнение для стадий размножения и отмирания микроорганизмов имеет линейный характер [c.1020]

Какова кинетика изменения численности и массы микроорганизмов на разных стадиях микробиологического процесса [c.1050]

Вместе с тем математический аппарат, используемый в большинстве случаев при моделировании микробиологических процессов, относится к типу уравнений движения и заимствован из области кинетики химических и биохимических (ферментативных) процессов. Это в принципе не вызывает возражений, так как именно кинетика огромного множества отдельных, но связанных в систему реакций определяет биологические процессы. Вместе с тем, используя для описания процесса, протекающего на популяционном уровне, математический аппарат, созданный для описания процессов, характерных для молекулярного уровня организации биосистемы, следует помнить о том, что в этом случае принципиально невозможно ожидать получения математической модели роста популяции, которая бы давала рациональное истолкование всей наблюдаемой специфики ее поведения. Безусловно останутся явления, особенно относящиеся к вопросу регуляции на популяционном уровне, которые затруднительно интерпретировать в понятиях молекулярного уровня. [c.19]

Принципиальным отличием подхода Хиншельвуда к рассмотрению кинетики роста микробной популяции является развитие концепции определяющего этапа цепи метаболических процессов. Распространенные представления об узком месте как звене, в котором реакция протекает с наименьшей скоростью и тем самым определяет кинетику всего процесса в целом, являются справедливыми для линейных последовательных реакций. Когда процесс в целом определяется протеканием реакций, соединенных в циклы и образующих пространственную сетку последовательных переходов, предполагающих альтернативные пути метаболизма в зависимости от конкретных условий, Хиншельвуд, развивая концепцию узкого места, предлагает принцип наибольшей скорости реакции. Суть этого принципа заключается в том, что при наличии различных маршрутов реакций основное значение в общем процессе метаболизма приобретает тот путь, по которому реакция может развиваться при данных условиях с наибольшей скоростью. Любое изменение условий роста приводит не к изменению локальной стадии микробиологического синтеза, а к перераспределению кинетических параметров всей системы. Ограничение общей скорости процесса в сетке химических реакций внутриклеточного метаболизма не обязательно определяется наиболее медленной стадией, а зависит от соотношения констант скоростей ряда отдельных реакций. При этом соотношение ферментов различных этапов процесса микробиологического синтеза, их разрушение, расход, образование и диффузия определяют поведение популяции в целом. Основное уравнение кинетики процесса микробиологического синтеза, по мнению Хиншельвуда, должно иметь следующий вид [c.93]

Специфичными для микробиологических процессов являются уравнения кинетики роста, образования продуктов метаболизма, потребления субстратов и частично также кинетики автолиза биомассы и инактивации продуктов метаболизма. Блоки кинетики массообмена, теплообмена, материального и теплового баланса подобны аналогичным блокам при моделировании непрерывных химических процессов. [c.8]

Уравнения кинетики роста, образования продуктов, потребления субстратов, автолиза биомассы и инактивации продуктов являются специфическими для микробиологических процессов. Математическое описание кинетики этих процессов отличается от традиционной химической кинетики, поскольку все процессы осуществляются с участием биокатализаторов-ферментов. Причем субстрат в процессе превращения в организованную биомассу или продукт метаболизма проходит весьма большое число промежуточных стадий биохимических ферментативных реакций. Поскольку большинство биохимических реакций осуществляется в клетках микроорганизмов, в микробиологической кинетике принято в качестве выходных параметров использовать не абсолютные значения скоростей реакций, а удельные, отнесенные к единице веса микробной массы. [c.14]

На основе анализа уравнений математической модели процесса можно рассчитать поведение микробиологических процессов в различных режимах культивирования. Полученные результаты, выраженные в наглядной графической форме, позволяют уточнить кинетику процесса и выбрать наиболее подходящую для данного процесса математическую модель. [c.66]

К сожалению, до настоящего времени даже применение известных законов химической термодинамики и кинетики к микробным популяциям встречает значительные трудности, которые еще усугубляются тем, что микробная клетка, как и все живое, обладает изменчивостью и способностью постепенно приспосабливаться к условиям внешней среды. Это делает принципиально неверным механическое применение известных законов термодинамики и кинетики к микробиологическим процессам и требует скорейшей разработки проблем количественного описания биотехнологических процессов. Особенно важно, что эти исследования должны проводиться применительно к разным типам идеальных биореакторов, что позволяет выбрать и обосновать требования к аппаратурному оформлению, обеспечивающему воспроизведение достигнутого в лаборатории результата. [c.139]

Для решения задач оптимизации и управления биотехнологическими процессами микробиологического синтеза необходима информация о закономерностях кинетики этих процессов, т. е. их динамической реакции на изменение условий культивирования. В ряде случаев оправдывает себя подход, основанный на составлении каталога вещественно-математических моделей биотехнологических процессов микробиологического синтеза. Например, набор математических моделей для однофакторной зависимости удельной скорости накопления биомассы от лимитирующего субстрата может быть представлен одним из следующих выражений [c.22]

Микробиологические исследования. На первом этапе определяются микробиологические, биохимические и физико-химические характеристики процесса на микроуровне. Основная задача подобных исследований заключается в нахождении наиболее вероятного механизма протекания процесса с выбором модели кинетики и оценкой констант. На этом же этапе решаются задачи выбора эффективных культур и микроорганизмов и оптимизации питательных сред. Наиболее быстрое решение указанных задач возможно лишь с использованием вычислительной техники, с помощью которой удается быстро просматривать конкурирующие механизмы протекания процесса биосинтеза, оценивать кинетические константы и выбирать оптимальный состав питательных сред. В настоящее время использование вычислительной техники на этом этапе исследований позволяет в некоторых случаях автоматизировать эксперимент, что существенно увеличивает эффективность научных исследований. [c.44]

Таким образом, задача создания количественной теории основной стадии технологии микробиологического синтеза — процесса культивирования микроорганизмов в настоящее время сводится к изучению макрокинетики микробиологического синтеза комплексному исследованию кинетики элементарного акта, протекающего в условиях, осложненных процессами переноса тепла и вещества [8]. Установление количественных закономерностей роста популяций микроорганизмов в реальных условиях его осуществления в емкостной аппаратуре, выраженных в виде соответствующей математической модели, во многом определит переход от эмпирического поиска к строгому решению задачи оптимизации технологических режимов получения большого числа важных для народного хозяйства продуктов микробиологического синтеза. [c.9]

Достаточно общую математическую модель процесса микробиологического синтеза антибиотиков предложил В. М. Фишман [123]. Преобразовав уравнение Моно, а также использовав принципы формальной химической кинетики простых реакций, автор предложил систему уравнений, описывающих скорости процессов роста биомассы, убыли субстрата в питательной среде, накопления ингибирующих рост популяции продуктов метаболизма, а также выделения антибиотика в культуральную жидкость [c.86]

Накопление биомассы является хотя главным и определяющим, но не единственным проявлением роста популяции. Полное описание процессов микробиологического синтеза поэтому кроме раскрытия кинетики накопления биомассы должно также включать описание закономерностей потребления компонентов питательной среды и выделения метаболитов, часто являющихся целевыми продуктами процесса. [c.216]

Адекватным такой постановке задачи является прием исследования кинетики элементарного акта определяющей стадии микробиологического синтеза, осложненного процессами переноса вещества и энергии, что составляет суть макрокинетики микробиологического синтеза. Окончательным результатом такого [c.315]

Анализ данных литературы, посвященных математическому описанию основных кинетических закономерностей процесса культивирования микро. организмов. Даны схемы процесса культивирования как объекта исследования. Проведено сравнение методов математического описания кинетики процессов в микробиологических популяциях. Систематизированы уравнения, описывающие различные кинетические закономерности. 6 рисунков, 16 таблиц. [c.116]

Динамика распределения возраста агрегатов. Возраст агрегата а, т.е. время, прошедшее от момента попадания агрегата в систему до текущего момента, является важным фактором, определяющим процессы, протекающие в агрегате, а плотность распределения возраста необходима для расчета характеристик системы. Задача моделирования и управления распределением по возрастам возникает при изучении не только химико-техно-логических процессов, но и процессов микробиологического синтеза, а также функционирования большого числа однотипных аппаратов [14]. Динамика распределения возраста агрегатов не связана с кинетикой ни химических превращений, ни взаимодействия агрегатов и среды. На распределение возраста р(<х, I) влияет только изменение потока через аппарат. [c.34]

Наконец, наиболее важную и многообразную группу составляют химические процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики. К сожалению, до сих пор еще не удалось создать строгую научную классификацию этих процессов. Это оказалось делом очень трудным. Часть химических процессов классифицируется по принципу получаемых продуктов или отраслям производства (минеральные кислоты, щелочи, соли, минеральные удобрения, металлы, силикаты, высокомолекулярные соединения, пластические массы, каучуки и резины, химические волокна, целлюлоза и бумага, органические красители, клеи, лаки и краски, сахара, спирты, жиры и т. п.), часть — по принципу общности процессов производства (электрохимические процессы, электротермические, микробиологический синтез, процессы брожения и т. п.), часть — по принципу общности исходного сырья (химическая технология нефти, синтезы на основе окиси углерода, олефиновых углеводородов, ацетилена, ароматических углеводородов и т. п.). [c.137]

В то же время, существует и точка зрения, что для ряда процессов микробиологического разложения (при высоком содержании в растворах микроорганизмов) более надежные результаты дает обращение к уравнению кинетики нулевого порядка [c.272]

Кинетическая кривая роста микроорганизмов в процессе микробиологического синтеза (в биохимических реакторах) при периодическом способе культивирования имеет сложный характер и состоит из ряда фаз [44, 45] лаг-фазы, переходной фазы, экспоненциальной фазы, фазы затухающего роста, стационарной фазы, фазы гибели микроорганизмов. В первый период (лаг-фаза) численность популяции не увеличивается, что соответствует реакции нулевого порядка. Аналогичная зависимость имеет место в стационарной фазе. Для остальных периодов кинетика оказывается более сложной. В качестве кинетической модели роста популяции в условиях периодического процесса наиболее часто используют модель Кобозева. Модели расчета биохимических реакторов широко освещены также в [46— 48]. [c.36]

Обратимся теперь к непрерывным микробиологическим процессам. Чтобы обеспечить протекание процесса в оптимальных условиях стационарного состояния, необходимо располагать соответствующими кинетическими данными. Если в условиях периодической культуры процесс относился к типу I, то необходимые условия для непрерывного культивирования можно теоретически определить прямо из данных для периодического процесса. В целом процессы такого типа лучше всего протекают в стационарных условиях в одностадийном биореакторе с полным перемешиванием. Те процессы, для которых в условиях периодической культуры характерны кинетики типа II или III, при непрерывном культивировании, по всей видимости, лучше всего осуществлять в многостадийных последовательных биорёакто- [c.408]

Все реакции микробиологического превращения углеводородов являются окислительными процессами. Предельная восстановлен-ность этих веществ делает необходимым для их окисления включение кислорода. Гидрофобный характер молекулы углеводородов является причиной того, что процессы окисления осуществляются оксигеназа-ми, в отличие от окисления более гидрофильных веществ, происходящего под действием дегидрогеназ. Гидрофобность углеводородных субстратов и их ничтожная растворимость в воде требует специфического способа транспорта таких веществ в клетку. Этот процесс еще недостаточно изучен, но имеющиеся в настояищй момент данные говорят о том, что на основном этапе он происходит пассивно, поэтому способы поступления углеводородного субстрата к клеткам в водной среде и его транспорта через оболочку существенно влияют на кинетику роста культур на углеводородных средах [149]. [c.85]

Современный уровень развития вычислительной техники, информационных систем, локальных и глобальных вычислительных сетей существенно изменил требования к нодгоговке специалистов с высшим образованием. Это относится и к подготовке специалистов химико-технологического профиля. Значительные изменения относятся к подготовке специалистов, занятых в области проектирования химико-технологических установок и производств (здесь требуется от специалисаа уметь работать с различными базами данных по свойствам веществ, типам аппаратов и др., умение работать с пакетами прикладных про)рамм, умение использовать вычислительную технику в составлении чертежей установок, оформления спецификаций и описания технических заданий и др.) к подготовке специалистов в области управления технологическими процессами и производствами (требуется от специалиста уметь оценивать коньюктуру рыш а для эффективного формирования номенклатуры продукции, умения разрабатывать системы автоматического регулирования на новой современной технической базе и т.п.) в области разработки новых процессов и аппаратов химических и биотехнологических производств, нефтепереработки и нефтехимии (требуется от специалиста все более глубокое проникновение в суть процессов - маршрутов и кинетики химических реакций, реакций микробиологического синтеза, умение моделировать и прогнозировать протекание процессов в условиях удаленных от равновесия, умение моделировать процессы с нелинейными эффектами, процессы, протекающие на границе устойчивости и т.п.). [c.30]

Завершающим этапом исследований технологических режимов процесса культивирования является проверка правильности переноса процесса в аппараты большей емкости, которые характеризуются интенсивностью массообмена, соответствующей величинам, определенным при исследовании кинетики процесса микробиологического синтеза, но достигнутой за счет режимов и конструкций отличных от тех, в которых изучалась кинетика. Критерием правильности переноса в данном случае является идентичность величин параметров кинетики роста и метаболизма популяции величинам, установленным при первичном исследовании и последующей оптимизации процесса микробиологическо- [c.8]

Всестороннее изучение характера роста микробных культур является одним из главнейших методов микробиологического исследования. В основе роста популяции микроорганизов, как совокупности особей, обитающих, в одном ареале (при проведении культивирования в аппарате), лежат процессы роста, размножения (деления) и отмирания отдельных микроорганизмов. Хотя кинетика роста популяции не сводима к кинетике роста отдельных микроорганизмов, но так как закономерности низшего уровня (в данном случае клеточного) сохраняют определенную автономность на высшем (популяционном) и только преобразуются при усложнении биосистемы, то представляется целесообразным рассмотреть общие положения процесса роста микроорганизмов, которые в какой-то мере могут объяснить особенности поведения популяции. [c.22]

Однако не обязательно образование целевых продуктов метаболизма связано только с процессами автолиза культур, находящихся в фазе зрелости. В процессах микробиологического синтеза в качестве целевых часто выступают ассоциированные с ростом продукты метаболизма, образовалие которых наблюдается сразу же после окончания начального периода роста популяции. В других случаях продукты в культуоальной жидкости накапливаются только после того, как будет достигнута определенная фаза роста популяции. Вместе с тем вне зависимости от особенностей феномена накопления продукта кинетику процесса его накопления всегда следует рассматривать только в связи с процессами роста популяции, так как различные стороны метаболизма микробных клеток определяют и образование биомассы и выделение соответствующих продуктов, и всегда можно установить хотя и не непосредственную, но все же определенную связь между этими феноменами. [c.45]

Кинетика роста биомассы, как основного процесса, определяющего всю картину микробиологического синтеза (конкретизацй уравнения (II), может быть получена на основе анализа кинетической схемы (I). Рассмотрим для простоты эту схему без учетаг обратного процесса (Кз=0) [c.321]

В специальной литературе имеются попытки С01П0-ставления механизма микробиологического (биохимического, ферментативного) окисления углеводородов с механизмом химического (жидкофазного, эмульсионного) их окисления. Такое сопоставление может быть только приблизительным, поскольку нет еще детальных исследований физико-химических особенностей и кинетики протекания отдельных стадий процесса микробиологического окисления. [c.38]

Том 5 содержит 3 обзора. В обзоре Математическое описание основных кинетических закономерностей процесса культивирования микроорганизмов приведены данные, посвященные математическому описанию основных кинетических закономерностей процесса культивирования микроорганизмов. Даны схемы процесса культивирования как объекта исследования. Проведено сравнение методов математического описания кинетики процессов в микробиологических популяциях. Систематизированы уравнения, описывающие различные кинетические закономерности. В обзоре Периодическое культивирование как основа прогнозирования некоторых аспектов непрерывного культивирования микроорганизмов анализируются данные, посвященные предсказанию некоторых аспектов непрерывного культивирования по результатам периодического выращивания. Обсуждаются перспективы этого направления исследований для дальнейшего развития и внедрения в производство метода непрерывного культивирования микроорганизмов. В обзоре Морфология микроорганизмов в различных физиологических состояниях популяции при периодическом и непрерывном культивировании представлен анализ данных литературы, посвященных взаимосвязи морфологии и физиолого-биохимических показателей микроорганизмов при периодическом и непрерывном культивировании. Обсуждается теоретическое и практическое значение комплексных исследований морфологии и физиологии микроорганизмов. Подчеркивается перспективность применения морфологических тестов для оценки популяции в процессе ее выращивания. Авторы доктор биологических наук И. А. Бас-накьян, кандидат технических наук В. В. Бирюков, кандидат технических наук Ю. М. Крылов, кандидат биологических наук В. А. Мельникова, кандидат медицинских наук Г. П. Дубинина, кандидат биологических наук //. А. Шадрина. [c.4]

Как было рассмотрено выше, микробиологическая кинетика дает молекулярное толкование периодам индукции на кривых роста. Это может быть адаптационный процесс, связанный с созданием инструмента — ферментов, способных трансформировать основной субстрат, либо трансформация пресубстрата в субстрат, либо развернутое во времени исчезновение ингибитора роста. Очевидно, что для кинетики роста численности человечества период индукции связан с адаптационным процессом. Происходила достаточно медленная адаптация человека к окружающей среде с созданием необходимых инструментов и методов, обеспечивающих дальнейшее развитие популяции. Точно так же, как микроорганизмы в процессе роста изыскивают и модифицируют аппарат трансформации окружающей среды, так и человечество в течение сотен веков разрабатывало основы, позволявшие создать аппарат трансформации среды, адекватной популяционным задачам человечества. [c.681]