Курс лекций для студентов специальности -48 02 01 «Биотехнология» Минск 2014 034)

45 
5.3. Роль кислорода и диоксида углерода в фермента‐
ционном процессе 
Эффективность аэробной ферментации зависит от скорости рас-
творения и концентрации кислорода в ферментационной среде. 
Микроорганизмы потребляют кислород только из раствора. Обеспе-
чение микроорганизмов кислородом часто является лимитирующим 
фактором в ферментационном процессе. Растворимость кислорода 
в воде из воздуха при температуре 38°С и атмосферном давлении 
составляет около 7 мг/дм
3
. Растворимость чистого кислорода в воде 
при тех же условиях – 33 мг/дм
3
. Неорганические и органические 
компоненты питательной среды понижают растворимость кислорода 
в среднем на 10%. 
В условиях полного смешения массопередача кислорода описы-
вается уравнением 
*
(
) α μ
,
q k a c
c
x
 

  
где q – скорость массопередачи кислорода из газовой фазы в жид-
кость, кгО
2
/(м
3
·ч); k – константа, зависящая от степени турбулизации 
среды, м/ч; а – удельная поверхность раздела газовой и жидкой фаз, 
м
2
/м
3
; k · а – объемный коэффициент переноса кислорода, ч
–1
; с
*
, с – 
равновесная и рабочая концентрации кислорода в жидкости, кг/м
3
; α – 
потребность культуры в кислороде, кгО
2
/кгАСБ; µ – скорость роста 
культуры, ч
–1
; x – концентрация биомассы, кгАСБ/м
3
. 
Правая часть уравнения отражает потребление кислорода мик-
робной массой. 
Потребность культуры в кислороде определяется природой суб-
страта. Например, при выращивании продуцентов белка (дрожжи, 
бактерии) на углеводных средах требуется кислорода (кг/кгАСБ) 0,9–
1,1, на этаноле – 1,7–1,9, на н-парафинах – 2,2–2,5, на метане – 3,5–5,0. 
Чем выше доля углерода в субстрате, тем больше потребность в кис-
лороде и тем больше тепловыделения при ферментации. В среднем 
тепловыделения при выращивании микроорганизмов составляют 
14,2–14,4 кДж на 1 г потребленного кислорода. 
Объемный коэффициент переноса кислорода (k · а) зависит от 
условий ферментации: объема ферментатора, мощности привода 
мешалки, соотношения диаметра и высоты аппарата, типа аэрацион-
ной системы, температуры процесса, реологических свойств культу-
ральной среды (увеличение вязкости среды снижает коэффициент 
массопереноса). 

46 
В промышленных ферментаторах с точки зрения массообменных 
процессов лимитирующим фактором является не столько концентра-
ция растворенного кислорода, сколько скорость его растворения, ко-
торая определяется прежде всего расходом аэрирующего агента (воз-
духа или технического кислорода), концентрацией кислорода в нем, 
а также конструкцией системы распределения воздуха. 
Проблема лимитации роста микроорганизмов кислородом в про-
изводственных условиях может быть решена следующими путями: 
– использованием для аэрации среды в ферментаторах воздуха, 
обогащенного кислородом (30–35% О
2
), или технического кислорода; 
– проведением процесса ферментации при повышенном давлении 
(до 0,8 МПа); 
– использованием колонных ферментаторов большой высоты (до 
40 м) – высокое гидростатическое давление повышает растворимость 
кислорода в среде. 
О роли СО
2
известно гораздо меньше, чем о роли кислорода. На 
растущие микробные клетки СО
2
может влиять двойственно: низкие 
его концентрации необходимы для роста клеток, а высокие концен-
трации обладают ингибирующим действием. Полное отсутствие СО
2
отрицательно сказывается на росте большинства микроорганизмов 
(если не всех микроорганизмов вообще). 
СО
2
-лимитирующие условия могут возникнуть в начале роста 
культуры (в результате удлиняется лаг-фаза) или при чрезмерной 
аэрации среды, что бывает редко. Вместе с тем при парциальном дав-
лении больше 25–100 кПа СО
2
задерживает рост большинства микро-
организмов, хотя устойчивость микроорганизмов к СО
2
сильно разли-
чается. В частности, наиболее чувствительны к СО
2
бактерии рода 
Pseudomonas, наименее чувствительны – молочнокислые гомофер-
ментативные бактерии. Лимитирование по кислороду, а также низкие 
значения рН среды усиливают ростоингибирующее действие СО
2
. От-
рицательное действие СО
2
на микроорганизмы усиливают также не-
которые субстраты, в частности этанол. 

жүктеу/скачать 1,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: