Классификация процессов ферментации

 

По признаку целевого продукта процесса, ферментация может быть следующих типов:

 

1) ферментация, в которой целевым продуктом является сама био- масса микроорганизмов; именно такие процессы часто обозначают словами «культивирование», «выращивание»;

2) целевым продуктом является не сама биомасса, а продукты ме- таболизма — внеклеточные или внутриклеточные; такие процессы ча- сто называют процессами биосинтеза;

3) задачей ферментации является утилизация определенных ком- понентов исходной среды; к таким процессам относятся биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование и биодеградация.

 

По основной среде, в которой протекает процесс,

ферментация бывает:

1) поверхностная (твердофазная);

2) глубинная (жидкофазная);

3) газофазная ферментация.

По числу видов микроорганизмов различают:

1) ферментацию на основе монокультуры;

2) смешанное культивирование, где участвует микробная ас-

социация двух и более культур.

По способу организации во времени:

1) периодическая;

2) непрерывная;

3) многоциклическая;

4) отъемно-доливная;

5) периодическая с подпиткой субстрата;

6) полунепрерывная с подпиткой субстрата.

 

Рассмотрим более подробно периодическую ферментацию.

 

Основные параметры периодической ферментации

 

В периодических процессах загрузка сырья и посевного материа- ла в аппарат производится единовременно, затем в аппарате в течение определенного времени идет процесс, а после его завершения получен- ная ферментационная жидкость выгружается из аппарата.

После того как в аппарат загрузили среду, создали необходимую температуру, добавили посевной материал и стали подавать воздух для аэрации, собственно говоря, и начался процесс ферментации. Как сле- дить за протеканием этого процесса? Для этого необходимо время от

 

времени или непрерывно определять, какие изменения происходят в ферментационной среде.

Обычно состояние процесса характеризуется следующими основ-

ными параметрами:

− концентрация биомассы микроорганизмов X;

− концентрация субстрата S;

− концентрация продукта Р.

Все эти концентрации приведены к единице объема среды.

 

Понятие скорости роста

 

Прирост биомассы зависит от изменения размеров отдельных клеток и от увеличения числа клеток.

Абсолютная скорость роста (валовая) характеризуется прирос-

том биомассы за единицу времени

V = dm / dt.

Относительная скорость роста (удельная) – это абсолютная

скорость роста культуры отнесенная к единице исходной биомассы

 

M = V / m.

В идеальном случае рост микробной культуры идет с постоянной удельной скоростью. В этом случае через определенный промежуток

времени из каждой клетки образуется две других, через следующий

промежуток времени разделяется уже две клетки и вся биомасса увели-

чивается дважды в два раза

N1= 2 n N0,

 

где n - число генераций (делений клетки);

N1– число клеток в определенный момент времени; N0 - число клеток в начальный момент времени.

 

Фазы периодической ферментации

 

Рассмотрим, как изменяется концентрация биомассы в процессе периодической ферментации (рис.25).

 

 

 

I —лаг-фаза; II — фаза ускорения роста; III — фаза экспоненци-

ального роста;IV — фаза замедления роста; V — стационарная фаза; VI — фаза отмирания.

 

Рисунок 25 - Определение фаз ферментации по кривой роста биомассы во времени

 

В начале ферментации некоторое время микроорганизмы как бы приспосабливаются к новой среде, их концентрация не меняется. Этот период называется лаг-фаза. В этот период клетки не только адапти- руются к новым условиям, но и частично изменяют среду, делая ее пригодной для себя. Чем полноценнее субстрат, тем короче лаг-фаза. Далее начинается рост клеток — это фаза ускорения роста. Третья фаза — экспоненциального роста, это фаза наиболее интенсивного роста клеток, здесь происходит наибольший относительный прирост биомассы. Затем относительная скорость роста начинает уменьшаться

— это фаза замедления роста. Достигнув некоторой максимальной величины, концентрация биомассы далее перестает возрастать. В этой фазе — стационарной — в среде истощаются питательные вещества и накапливаются продукты обмена, тормозящие рост. Биомасса растет и одновременно происходит гибель части клеток (автолиз), так что об- щая концентрация клеток сохраняется постоянной. Наконец в фазе отмирания автолиз начинает преобладать над ростом, и концентрация биомассы микроорганизмов снижается.

В процессе роста культуры изменяется морфология клеток, их хи- мический состав и физиологическое состояние. Культура может неоп- ределенно долго задержаться на стадии интенсивного роста и высокой физиологической активности. Это определяется действием факторов

 

 

среды. Создавая соответствующие условия, можно остановить разви- тие культуры на любой точке кривой роста и таким образом заставить микроорганизмы «работать» с наибольшей интенсивностью.