С.Дж.Перт

Как следует из уравнения (16.1) и (16.3), удельная скорость образования продукта дается уравнением

(16.7)

Процессы, связанные с ростом, - это обычно такие процес­ сы, которые необходимы для функционирования организма. Они

включают в себя образование клеточных стенок и необходимых

ферментов. Выход продукта Уpfx может быть пропорционален

удельной скорости роста; примером является образование РНК.

Необычным примером служит фермент глюкозид-3-дегидрогена­

16.2.2. Продукт, не связанный с ростом

Образование продуктов, не связанных с ростом, может быть

двух типов: или значение qp не зависит от скорости роста, или

же находится в сложной зависимости от скорости роста. Иллю­

страцией первого случая служит образование пенициллина

наблюдается ослабление биосинтетической активности [261].

Значение qp для продукта, не связанного с ростом, может 6ыть сложной функцией удельной скорости роста. Примером

такого типа является образование меланина Aspergillus niger

[283], которое выражается уравнением

( 16.9)

где qpmax и k - константы. Подобно этому образуются цикла­

декстрин из крахмала с помощью Bacillus macerans [183] и

споры у Bacillus suЫilis [69].

Если образование продукта частично связано с ростом и

частично не зависит от скорости роста, то

(16.10)

Образование конечных продуктов энергетического метаболизма

следует этому выражению, где ~ включает образование продук­

тов как результат энергетических затрат на поддержание, так

и разобщения фосфорилирования. Образование молочной кисло­

ты из сахара видами Lactobacillus также подчиняется этой мо­

дели [190].

Увеличение биомассы может происходить и по линейному зако­ ну, если субстрат, лимитирующий рост, доставляется с постоян­ ной скоростью с помощью диффузи.онной капсулы (р;:~зд. 21.6).

х

------Хт-

Рис. 53. Накопление продукта в периодической культуре как функция вре•

мени.

х-концентрация биомассы, р-концентрация продукта, qр-удельная скорость образо•

вания продукта.

16.4.2. Падение синтетиttеской активности

Скорость синтеза продукта падает после прекращения роста.

Ослабление синтеза начинается, вероятно, когда скорость роста

падает до критического, близкого к нулю значения. Предполо­ жим, что qp постоянна до тех пор, пока во время t рост не пре­

кратится. Затем qp падает (рис. 53). Тогда во время фазы

затухания синтетической активности образование продукта в

очень малый интервал времени dt будет

(16. 16)

где Хт - максимальная концентрация биомассы. Увеличение

концентрации продукта описывается уравнением

ственно (рис. 53). Интеграл от qpdt есть область под кривой qp(t) от t1 до t2. Если затухание активности экспоненциально

или процесс распада ферментов соответствует реакции первого

циальное затухание активности синтеза было установлено для

глюкозид- 3-дегидрогеназной системы у Agrobacterium [96]

при минимальном полупериоде около 8 ч. В случае синтеза

пенициллина затухание было ближе к линейному, чем к экспо­

ненциальному [261 ].

16.5. Образование продукта в хемостатной культуре

16.5.1. Общие принципы

Скорость образования продукта в хемостате описывается

уравнением

Если продукт строго связан с ростом, то концентрация продук­

та и продуктивность (Djj) будут так же изменяться при изме­ нении D, как и биомасса. Если qp не зависит от скорости роста, то концентрация продукта изменяется обратно пропорционально

скорости разбавления, и в широком диапазоне скоростей разбав­

ления скорость выхода постоянна (рис. 54). Однако при D-+ О

предположение о том, что qp - константа, становится несправед­

ливым, поскольку либо активность ферментов начинает зату­

хать, либо истощается один из необходимых субстратов.

скорости разбавления концентрация продукта будет изменяться,

как это показано на рис. 55. При D = О продуктивность обуслов­ лена продуктом, не связанным с ростом ~х = ~ УxJsSr.

16.5.2. Временное образование продукта

Если в хемостате продукт образуется временно, как показано

на рис 56, то кумулятивный выход продукта с момента, когда

7•

Если возврат биомассы используют в условиях, когда выход

продукта ( Ур/х) представляет собой величину постоянную, а

образующийся продукт является внеклеточным и растворимым,

то концентрация продукта не может превышать значения Yp;sSr,

где sr - концентрация лимитирующего рост субстрата в пода­ ваемой среде. В этом случае увеличение производительности до­ стигается за счет увеличения скорости разбавления.

Если qp не зависит от скорости роста, то концентрация вне­ клеточного продукта в хемостате с возвратом биомассы будет

больше, чем в простом хемостате, во столько раз, во сколько

различается концентрация биомассы в двух системах (рис. 57). Это отношение практически равно коэффициенту концентриро­

вания, т. е. производительность будет увеличена во столько же раз, во сколько будет увеличена концентрация биомассы.

В таких процессах, как образование пенициллина, для кото­

рых существует некоторая удельная скорость, ниже которой

начинается затухание синтетической активности, критическая скорость разбавления, необходимая для поддержания значения qp, будет увеличена в а раз, поскольку в стационарном состоя­

нии µ = rxD(где а - коэффициент концентрирования).

16.5.4. Затухание синтетической активности в нерастущей биомассе

При малых скоростях роста, а также при отсутствии роста

синтез продуктов, не связанных с ростом, затухает. Затухание

активности синтеза в нерастущей биомассе в хемостате модели­

руется следующим образом. Предположим, что два хемостата

стадии процесса во вторую, тогда производительность для вто­

рой стадии в стационарном состоянии описывается балансом

Выход= Вход+ Образование,

ИJIИ

дии соответственно, а i2 - концентрация биомассы во второй стадии. Значение qp как функции t можно определ·ить экспери­

ментально из одиночного хемостата, в котором скорость потока

среды и прочие условия изменены так, чтобы рост прекратился,

т. е. чтобы были имитированы условия второй стадии [26]. Ин­

теграл в уравнении ( 16.25) может быть найден графически или аналитически. В случае ферментации пенициллина Перт и Риге­

предсказать, что концентрация пенициллина во второй стадии будет подчиняться соотношению

где время, в течение которого активность синтеза пенициллина

падает до нуля, равно qp(oJkp.

Если затухание активности происходит экспоненциально, мы

можем записать qp = qp(O)e-кt, где К - константа затухания

скорости. Подставив это выражение для qp в уравнение (16.25),

для концентрации продукта получим

16.6. Регулирование затухания биосинтетической активности

Поддержание биосинтетической активности, не связанной с

ростом, является острейшей проблемой ферментации вторичных

метаболитов, таких, в частности, как образование пенициллина.

Условия, ведущие к потере биосинтетической активности, можно подразделить на четыре основных случая: 1) ингибирование метаболитами или продуктами; 2) утечка промежуточных мета-