Назад, на главную страницу

 

 

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ ГЛУБИННОМ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

 

Журнал Ферментная и спиртовая промышленность, № 5, 1987

 

 

Доктор технических наук Б.А. УСТИННИКОВ, В.В.ИВАНОВ, Г.П. ГЕОРГИЕВСКИЙ ВНИИПБТ

М. Г. КАУКИН Мичуринский экспериментальный завод ВНИИПБТ

 

Одним из важных факторов процесса глубинного культивирования микроорганиз­мов является перемешивание культуральной жидкости (к.ж.), способствующее вы­равниванию растворенных компонентов пи­тающего субстрата, кислорода и продуктов метаболизма по всему объему аппарата. В результате оптимизации этого процесса может быть сильно повышена его производительность и снижены энергетические затраты [1].

Во ВНИИПБТ изучали периодический процесс глубинного культивирования микромицета Asp. Awamori - 466 для подбора опти­мального режима перемешивания к. ж.

Работу осуществляли в промышленных условиях на Мичуринском эксперименталь­ном заводе ВНИИПБТ, проводя параллельные ферментации на двух ферментаторах, объемом по 5 м3, оборудованных одноярус­ными турбинными мешалками (dm=600 мм при диаметре ферментатора Dф=2000 мм), барботером и четырьмя отбойниками.

Культуру выращивали на кукурузном сусле, осахаренном солодом. Концентрация среды перед посевом была 12—18 % СВ, рН 5,0—5,5. Режим стерилизации Т=125— 130 °С в течение 30—40 мин. Количество посевного материала — 3 % к объему питательной среды. Культуру выращивали при 35 °С, давление под крышкой ферментато­ра — 0,05 мПа [2], коэффициент заполнения — 0,7. Удельный расход воздуха меняли от 0,2 до 1,0 л/л-мин, число оборотов вала мешалки варьировали в диапазоне 0,8—5 с-1 с помощью специального элект­рического привода с двигателем постоян­ного тока мощностью 30 кВт.

Содержание растворенного кислорода в к. ж. определяли датчиками парциального давления растворенного кислорода в процентах от максимального насыщения.

Интенсивность дыхания культуры рас­считывали в зависимости от расхода возду­ха на аэрацию и объемного содержания диоксида углерода в отработанном воздухе по формуле:

 

Qд = Qв ٠ (СО2Д - СО2В) / Vр ٠ 100%,

 

где Qд — интенсивность дыхания культуры, мкл/мл · ч;

Qв — расход воздуха, мкл/ч;

СО2Д — объемная концентрация диоксида углерода  в отработанном  воздухе, %;

СО2В — объемная концентрация диоксида углерода во входящем воздухе, %;

Vр — объем к. ж. в ферментаторе, мл.

 

Расход воздуха измеряли с помощью сужающего устройства, а объемную концен­трацию диоксида углерода газоанализато­ром. Удельную механическую энергию пере­мешивания рассчитывали по методике [3]. Концентрацию СВ определяли рефрактомет­ром, рН — рН-метром, температуру из­меряли электронным мостом. Динамическую вязкость определяли ротационным вискози­метром. Морфологическую структуру мице­лия гриба исследовали на оптическом мик­робиологическом микроскопе.

Биохимический показатель к. ж. оцени­вали по глюкоамилазной активности (ГлС) по ГОСТ 20264.4.—74.

На рис. 1 представлена зависимость накопления культурой фермента глюко­амилазы через 160 часов от начала роста куль­туры при удельной механической энергии на перемешивание культуральной жидкости. Как видно из ри­сунка, максимальный выход фермента наблюдался при удельной механической энергии перемешивания, равной 6 кВт/м3. Дальнейшее же увеличение интенсивности перемешивания приводило к снижению синтеза фермента глюкоамилазы из-за меха­нического повреждения мицелия гриба.

Исследуя связь между вводом на пере­мешивание мощности, интенсивностью ды­хания и растворенным кислородом в к. ж., можно сказать, что при энергии переме­шивания меньше 2 кВт/м3 через 70 ч роста наблюдалось лимитирование процесса по кислороду — его концентрация в к. ж. составляла меньше 10 % от насыщения, мак­симальная интенсивность дыхания — 200 мкл/мл-ч, в этом случае можно гово­рить о лимите массообмена газ — жидкость. Увеличение удельной механической энергии перемешивания до 4 кВт/м3 позволило улуч­шить условия снабжения культуры кисло­родом (увеличение парциального давления растворенного кислорода до 30 % макси­мального насыщения и интенсивности ды­хания культуры до 450 мкл/мл-ч) и сняло лимитирование процесса по условиям мас­сообмена газ — жидкость.

Дальнейшее увеличение удельной меха­нической энергии перемешивания до 6 кВт/м3 привело к резкому увеличению интенсивности дыхания культуры до 700 мкл/мл-ч при сохранении парциального давления растворенного кислорода на том же уровне, что свидетельствует о снятии ли­митирования по условиям массопередачи жидкость — клетка.

При интенсивности перемешивания выше 6 кВт/м3 происходило механическое разру­шение мицелия гриба, что снижало интенсивность дыхания до 500 мкл/мл-ч и со­провождалось повышением парциального давления растворенного кислорода до 50 % максимального насыщения. Полученныеданные полностью коррелируют с накоп­лением культуры фермента глюкоамилазы.

 

При исследовании влияния удельной ме­ханической мощности на синтез культурой фермента глюкоамилазы был установлен необходимый при этом удельный расход воздуха на аэрацию культуральной жидкости. Так, при меха­нической энергии в 6 квт/м3 необходима аэрация в 0,7 л/л-мин, при 5 кВт — 0,6, при 4 кВт — 0,5, при 3 кВт — 0,4 и при 2 кВт — 0,35 л/л-мин.

Учитывая полученные результаты по существенному влиянию интенсивности пе­ремешивания на дыхание и биосинтез куль­турой фермента глюкоамилазы, представля­лось целесообразным выявить связь между затрачиваемой на перемешивание удельной механической мощностью и изменением реологических свойств к. ж. по ходу процесса.

В результате проведенных исследова­ний показано, что культуральная жидкость сохраняет неньютоновские свойства, типичные для псевдопластических жидкостей [4].

На рис. 2 показаны изменения вязкости к. ж. в зависимости от вводимой на пере­мешивание удельной механической мощ­ности. Как видно из рисунка, эффектив­ность перемешивания оказывает существенное влияние на изменение ее реологи­ческих свойств, очевидно, влияя в первую очередь на структуру мицелия, т. е. его морфологический характер.

При микроскопическом контроле куль­туры обнаружено, что увеличение вязкости через 30—80 ч биосинтеза совпадает с образованием сильно ветвящихся гиф мицелия гриба. Происходит образование колоний (агломератов) размером до 500—600 мкм и чем меньше интенсивность перемешива­ния, тем больше таких колоний.

При увеличении интенсивности переме­шивания снижалась вязкость к. ж. и наблю­далась четко выраженная тенденция к образованию укороченных гиф мицелия и соот­ветственно наличию не только существенно меньшего количества скоплений, но и мень­шего размера, в среднем 150—200 мкм.

Наличие в к. ж. агломератов с меньшим размером привело к лучшему проникнове­нию кислорода к клеткам, исчезло и внутреннее мертвое пространство скоплений, что способствовало увеличению количества живой биомассы культуры.

Очевидно, именно этот фактор в первую очередь и объясняет значительное увели­чение интенсивности дыхания культуры и сохранение парциального давления раство­ренного кислорода на том же уровне при увеличении энергии перемешивания с 4 до 6 кВт/м3, что приводит к снятию лими­тирования процесса по массообмену жидкость — клетка.

Для получения оптимального алгоритма управления режимом перемешивания к. ж., обеспечивающего максимальное дыхание культуры в течение всего культивирования проведен цикл ферментации с интенсив­ностью аэрации к. ж. 0,7 л/л-мин и удель­ной механической энергией перемешивания 6 кВт/м3

Продолжительность, час

 

Рис. 3. Алгоритм управления процессом пере­мешивания культуральной жидкости:

—                     О — число оборотов вала мешалки;

—                          — удельная энергия перемешивания

 

.

 

 В различные часы роста культуры по методике [5] периодически замеряли ин­тенсивность дыхания при ступенчатом уменьшении удельной механической энер­гии перемешивания (числа оборотов вала мешалки).

К результате обработки полученных данных выбран оптимальный алгоритм управ­ления перемешиванием к. ж. при периодическом процессе глубинного культивирова­ния микромицета Asp. awamori-466 (рис. 3).

В результате промышленных испытаний полученного алгоритма управления режи­мом перемешивания к. ж. установлено снижение электропотребления на 25—30 % и увеличение производительности биосинтеза фермента глюкоамилазы на 5—7 %.

Ожидаемый годовой экономический эф­фект от внедрения данной разработки на Мичуринском экспериментальном заводе — 31,9 тыс. рублей в ценах 1987 года.

 

Список использованной литературы

1. Талонов К. П. Процессы и аппараты микро­биологических производств.— М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

2. Промышленный регламент на производство глюкоаваморина Гх-466.— М.: ВНИИПрБ, 1981.

3. Смирнов Р. С. Гидродинамика и массообмен в крупномасштабных барботажных аппаратах с механическим перемешиванием.— Автореф. канд. дисс.— М.: 1985.

4. Уилкинсон У. Л. Неньютоновская жидкость.— М.: Мир, 1964.

5. Штоффер Л. Д., Бирюков В. В. Выбор ре­жима аэрации и перемешивания в процессах ферментации // Химико-фармацевтический журнал.— 1972.— № 4

 

 

 

 

 Назад, на главную страницу