Определение дыхательной активности культуры микроорганизмов в ферментере

Проблема снабжения кислородом физиологически активной культуры микроорганизмов, осуществляющих биосинтез в аэробных условиях, является одной из наиболее важных в организации ферментационного процесса.

Особенно существенное значение эта проблема играет при биологической очистке сточных вод в аэротенках, поскольку на аэрацию биоценоза в данном случае тратится более половины всех эксплуатационных затрат.

Ввиду больших расходов на аэрацию очень важно подобрать оптимальный режим культивирования и аэрации, правильно выбрать конструкцию перемешивающего устройства и определить реальную потребность микробной популяции в кислороде.

Для определения режимов аэрации в принципе можно использовать кинетические зависимости изменения концентрации растворенного кислорода (pO₂) в различных условиях, фиксируя значение pO₂ датчиком растворенного кислорода. В установке “Фермус-3” показатели pO₂ непосредственно выводятся на экран монитора ЭВМ (IBM PC) в графическом виде (в режиме “on line”).

Данные также могут быть обработаны после проведения ферментационного процесса (в режиме “off line”).

Скорость изменения концентрации растворенного кислорода dс/dt (или dpO₂/dt) можно представить следующей зависимостью:

dс/dt = V_{поступл}-V_{потребл}

Кислород из воздуха поступает в среду за счет барботажа воздуха и перемешивания среды. Скорость его поступления можно представить зависимостью:

V_{поступл} = K (с*-с),

где K – объемный коэффициент массопереноса кислорода;

с* – равновесная концентрация кислорода при данном парциальном

давлении кислорода и данной температуре;

с – концентрация кислорода в среде культивирования.

Скорость потребления кислорода связана с дыхательной активностью популяции и определяется зависимостью:

V_{потребл} = ( )∙с_АСБ,

где – удельная дыхательная активность микробной популяции (гО₂/гАСБ), АСБ – абсолютно сухая биомасса;

с_АСБ – концентрация биомассы в ферментационной среде.

В условиях экспоненциального роста микробной популяции и неизменности расходных коэффициентов (кг потребленного кислорода на кг потребленного субстрата), (кг потребленного кислорода на кг накопленной биомассы) V _{потребл} можно выразить как:

V_{потребл} = ·m,

где m – удельная скорость роста биомассы микроорганизмов.

Датчик концентрации растворенного кислорода фиксирует в среде концентрацию с, отражающую суммарное равновесие в данный момент между поступлением и потреблением. V_{потребл} в первом приближении можно найти, отключив на некоторый момент времени барботаж и перемешивание. В этом случае концентрация начнет резко падать (если культура активна), а кривая с = f(t) будет отражать изменение только дыхательной активности с течением времени. На основе этой кривой можно оценить скорости потребления субстрата и накопления биомассы (через и соответственно) в текущий момент времени и построить зависимость изменения скорости потребления кислорода популяцией от концентрации растворенного кислорода V_{потребл} = f(с) (аналог кривой Михаэлиса – Ментен для углеродного субстрата).

Используя данный метод, в лабораторной работе можно определить зависимости удельной дыхательной активности микробной популяции от концентрации растворенного кислорода, т.е. dс/(dt∙X) = f(с).

Если после отключения аэрации концентрация кислорода в среде культивирования снизилась до величин, близких к лимитирующим (0÷10% от с*), то в первый момент после повторного включения аэрации и перемешивания концентрация кислорода в среде культивирования должна резко возрасти. При этом сразу же после включения аэрации скорость потребления кислорода V_{потребл} еще незначительна и можно принять, что увеличение с обусловлено только V_{поступл}, т.е. массообменными характеристиками ферментера. По углу наклона кривой возрастания с в первый момент после включения аэрации можно определить V_{поступл} и соответственно K . Однако непосредственное наблюдение за кривой роста концентрации растворенного кислорода с помощью датчика pO₂ дает заниженные результаты определения K из-за наличия запаздывания фиксирования показателей рО₂ датчиком по отношению к реальным изменениям.

Для определения удельной дыхательной активности микробной популяции необходимо знать концентрацию биомассы Х. Концентрацию биомассы определяют путем пересчета показателей оптической плотности на сухую массу. В соответствии с коэффициентом пересчета для данных условий определения 1 единица оптической плотности соответствует концентрации, равной 0,5 г/л АСБ (абсолютно сухая биомасса).

В отчете о лабораторной работе необходимо представить условия проведения ферментационного процесса и условия определения дыхательной активности, результаты измерений, сведенные в таблицу, графики изменения концентрации биомассы, температуры, рО₂, рН, расхода титранта от времени (в случае использования режима автоматического титрования), логарифмическую зависимость изменения концентрации биомассы от времени (с ее помощью найти удельную скорость роста микроорганизмов), кривую зависимости удельной скорости потребления кислорода от концентрации растворенного кислорода dс/(dt∙X) = f(с), данные контроля под микроскопом.

Контрольные вопросы

1. Назначения, принципы использования и работы комплексов ЭВМ – ферментер.

2. Устройство установки “Фермус-3”, ее возможности.

3. Принцип работы и устройство датчиков pH, pO₂, Eh, Т^o, систем пеногашения, термостатирования, аэрирования.

4. Методические особенности и возможные ошибки при определении концентрации биомассы на ФЭКе.

Задача(Конкретные цифры задаются преподавателем).

Допустим, что культура микроорганизмов растет в оптимальных условиях по экспоненциальному закону в периодическом режиме на углеродном субстрате ........при температуре …..^оС, давлении …. Па при содержании кислорода в подаваемом воздухе ...….% с выходом биомассы …. кг биомассы на кг субстрата.

Пусть за время.…. ч биомасса выросла с .....г/л до…....г/л. Лимитирование роста биомассы начинается при концентрации кислорода ….....% от насыщения при заданных условиях культивирования.

Определить, хватит ли массообменной мощности перемешивающего устройства, обеспечивающего коэффициент массопереноса по кислороду на уровне ...... ч^-1, чтобы на протяжении всего времени роста биомассы лимитирование роста кислородом не наблюдалось.

Какую конструкцию перемешивающего устройства можно применить в случае нехватки (избытка) массообменных возможностей ферментера для заданных условий и как это отразится на теплообменных характеристиках ферментера и других параметрах?

Прочими условиями (высотой столба жидкости в ферментере, изменением концентрации кислорода в газовой фазе по мере продвижения пузырьков воздуха через слой жидкости и др.) в расчетах пренебречь.