рямо пропорциональна количеству биомассы и удельной биосинтетической активности К культуры. К можно определить через количество продукта Р, полученного за время t,—t0, по формуле

& — 'о) ""ср

тср ??

Если количество биомассы за этот период изменилось незначительно (прирост не превышает 2—3 раз), то mav можно определить как среднеарифметическое:

т, + щ0 2

Если прирост биомассы велик, как это бывает в логарифмической фазе роста, то

41 a^flogmj-logm,) '

Удельная биосинтетическая активность культуры зависит от физиологических и даже генетических свойств культуры, т. е. от какого-то характеризующего культуру коэффициента, являющегося функцией внутренних и внешних факторов, влияющих на клетку !=/ (А, В, С,.., Z). Удельная биосинтетическая активность культуры зависит также и от скорости ферментативных реакций, лежащих в основе биосинтеза соответствующих продуктов.

^2 „ Е,

Если количество продукта Р образует из субстрата S через пять ферментативных реакций, которые катализируют ферменты Ei, Е2, Е3, Е4, Е5, то скорость образования этого продукта зависит от скорости каждой отдельной реакции (Et—?5):

Е, 7 Еъ i —>- Јi

Если какая-нибудь реакция, например Е3> замедляется, то количество продукта Z3 уменьшается и это в свою очередь снижает скорость образования продукта Р. Таким образом, скорость образования продукта Р определяет скорость лимитирующей реакции, т. е. Ххт=Х'. Зависимость скорости каждой такой ферментативной реакции от субстрата можно выразить уравнением Михаэлиса — Ментена, в данном случае:

Скорость биосинтеза определяют по формуле

72

73

т

где Z' — концентрация промежуточного продукта соответствующей реакции; KZ — константа Михаэлиса для данной реакции.

Из этого вытекает, что удельная биосинтетическая активность культуры зависит от обоих упомянутых коэффициентов — i и К т. е.

К = Xi.

Чтобы улучшить процесс получения продукта, важно установить лимитирующий участок биохимического процесса и исключить факторы, ограничивающие скорость этого участка (репрес-соры, ингибиторы, температура, рН и др.).

В гомогенно непрерывном процессе, где D~\i,

Р =

Р X

кх

Следовательно, количество получаемого продукта зависит не только от активности культуры и количества биомассы, но и от скорости разбавления D. Однако эта величина постоянна для каждого отдельного ферментатора и широко варьировать ее нельзя, поэтому продуктивность увеличивают, изменяя количество биомассы или биосинтетическую активность культуры.

Если накопление биомассы и образование продукта зависят от какого-то лимитирующего фактора, например от необходимых для роста дефицитных веществ (витамины, аминокислоты), можно изменять концентрацию этих веществ в питательной среде и в удаляемой из аппарата готовой культуральной жидкости.

В равновесном состоянии количество субстрата в поступающем питательном растворе одинаково с суммой его расхода и оттока, т. е.

К

DS„= — X -f- DS, a

где a — выход биомасса из данного компонента.

S = S„

Можно допустить, что этот выход не зависит от концентрации компонента. Концентрацию субстрата в вытекающей культуральной жидкости можно определить по формуле

КХ aD '

Для установления концентрации субстрата в вытекающей культуральной жидкости необходимо учитывать его стоимость. Если данный компонент — ценное вещество, надо следить, чтобы его концентрация на выходе из системы была минимальной.

74

Глава IV

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

СЫРЬЕ

Для приготовления питательных сред в микробиологической промышленности используют сырье минеральное, животного и растительного происхождения, а также синтезированное химическим путем. Эти вещества, входя в состав питательной среды, обеспечивают развитие культуры и биосинтез определенных продуктов. Они не должны содержать вредных примесей. При выборе сырья необходимо учитывать его влияние на себестоимость, так как в микробиологическом синтезе важное значение имеет стоимость исходных веществ и материалов. В качестве источников углерода чаще всего используют углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал, лактоза) или богатые углеводами натуральные продукты (меласса, кукурузная мука, гидроль и др.), а также жиры и даже вещества, содержащие углеводороды (нефть, парафин, керосин, природный газ, метан и др.). Источником азота обычно бывают неорганические соли — сульфат аммония, двузамещенный фосфат аммония, аммиак, нитраты, а также мочевина или натуральные продукты — кукурузный экстракт, соевая мука, дрожжевой автолизат и т. д.

Если необходимо использовать сложные природные вещества или промышленные побочные продукты, они должны быть тщательно проверены биохимически на пригодность в качестве исходных веществ на лабораторных ферментационных стендах или в опытах на колбах. Жидкие виды сырья хранят в больших цистернах (рис. 28). Практика показала, что технологические свойства мелассы и кукурузного экстракта при хранении улучшаются в результате протекающих в них биохимических и микробиологических процессов. Однако слишком длительное хране