1.1 Потоки углерода и энергии при гетеротрофном росте микробов и образовании продукта:

Источник углерода и энергии

Микробная биомасса

Энергия Поддерживание жизнедеятельности Продукты

Условные обозначения:

Поток углерода

Поток энергии

Для роста любого микроорганизма необходимы источники углерода и энергии.

В случае гетеротрофных микроорганизмов (гетеротрофы – это организмы, использующие в качестве источника углерода экзогенные органические вещества, которые одновременно для них служат источниками энергии) это одно соединение или смесь углеродсодержащих соединений, которые удовлетворяют обе эти потребности.

У автотрофных микроорганизмов (автоторофы – организмы, использующие для построения своего тела углекислый газ в качестве единственного источника углерода и обладающие системой ферментов для ассимиляции углекислого газа, и способные синтезировать все компоненты клетки) углеродные и энергетические субстраты различаются.

Для гетеротрофных микроорганизмов коэффициент выхода продукта зависит от распределения энергии и углерода между процессами анаболизма и катаболизма. Коэффициенты выходов зависят от природы источника углерода и энергии, а также от биохимических особенностей микроорганизма; коэффициенты выхода зависят также и от концентрации источников углерода и энергии.

Избыточная энергия, высвобождаемая при ее использовании, рассеивается в виде тепла и приводит к необходимости охлаждения реакторов.

Скорость потребления определенного субстрата растущими культурами часто представляется в виде:

- ds/dt = qx (*), где

q - метаболический коэффициент, который очень широко используется в микробиологии.

*® (1) - dx/ds = q =

1.2 Сродство к субстрату и рост микроорганизмов.

Одним из важных микробиологических факторов, влияющих на процесс биосинтеза биологически активных веществ, является сродство к субстрату.

При анализе роста культур в биотехнологических процессах необходимо учитывать:

• остаточную концентрацию питательных веществ (субстратов);

• конкурентоспособность микроорганизмов;

• особенности их роста на сжиженных углеродных энергетических субстратах

Первый из этих факторов имеет два важных аспекта. Один из них экономический, связанный с полнотой использования субстрата; второй касается качества продукта, его чистоты и нетоксичности, поскольку остатки субстрата попадают в конечный продукт. Полнота использования субстрата, который является лимитирующим в периодической или непрерывной культуре, определяется сродством к нему данных микроорганизмов.

1.3 Стабильность культуры и предъявляемые требования.

Еще одним немаловажным фактором процесса биосинтеза является стабильность его культуры.

Пригодность выбранной культуры для использования ее в промышленном микробиологическом процессе часто не оценивается и становится критическим фактором, когда дело доходит до практического ее применения. Самое главное – это генетическая стабильность культуры.

Теплопередача и перенос веществ в биореакторах увеличиваются за счет диссипации энергии в системе обычно в результате интенсивного механического перемешивания содержимого реактора вращающимися мешалками. Такие мешалки оказывают двоякое действие: с одной стороны способствуют диспергированию мелких пузырьков воздуха в толще культуральной среды и обеспечивают перемешивание, необходимое для минимизации концентрационных градиентов, эффективного охлаждения реактора и уменьшения выделения пузырьков воздуха, а с другой стороны возникающие при таком перемешивании гидродинамические силы могут повреждать клетки.

Образование специфического продукта может зависеть также от морфологии плесневого гриба. Непригодны для использования в промышленности те штаммы, морфология которых значительно изменяется при изменении условий культивирования.

Ранее считалось, что вероятность повреждений бактериальных клеток определяется скорость вращения лопастей мешалки. Однако, согласно наиболее правдоподобной современной гипотезе о механизме повреждений, они обусловлены кавитационными явлениями в вихрях, возникающих сразу за лопастями мешалок, но окончательно вопрос о повреждении бактериальных клеток в интенсивно перемешиваемых культурах все еще не решен.

Еще среди плесневых грибов и бактерий, вероятно, можно отобрать выносливые микроорганизмы, более или менее пригодные для использования их в условиях, характерных для интенсивных процессов, то культуры тканей, в частности культуры клеток млекопитающих, нуждаются в особых биореакторах, конструкция которых учитывает присущую этим клеткам хрупкость. Наиболее пригодны для использования в промышленности микроорганизмов с широкими диапазонами оптимумов рН, концентрации растворенного кислорода и температуры. Частично эти трудности позволяют обойти техническое усовершенствование установок и улучшения контроля за условиями в них.