Матеріальний баланс

Сучасне промислове використання мікроорганізмів для виробництва білка здійснюється у ферментерах, що працюють за принципом хемостата. Обсяги ферментерів досягають кілька сотень кубічних метрів. У середовище з мікроорганізмами, що розмножуються, безупинно подаються водяний розчин мінеральних солей і застосовуваний у конкретному процесі органічний субстрат. Культура піддається перемішуванню й охолодженню. Швидкість виділення тепла в процесі росту аеробних мікроорганізмів прямо пропорційна швидкості споживання ними молекулярного кисню. На кожен грам спожитого мікроорганізмами CО2 виділяється 142 % КДж. Витрати на охолодження тим нижче, чим більше різниця температур між охолодним агентом і ферментаційним середовищем.

Раціональний процес вирощування здійснюється при лімітуванні росту мікроорганізмів киснем або близько до такого лімітування. Тому при раціональному проведенні процесу вирощування, коли масо-обмінна характеристика ферментера використається найбільше повно, швидкість фізіологічної теплопродукції у ферментері постійна, вона не залежить від використовуваного органічного субстрату й застосовуваного штаму мікроорганізму.

Баланс мікроелементів переробки органічного субстрату в біомасу мікроорганізмів можна представити у вигляді наступного рівняння:

СНmOl + aNH3 + b2 → ycCHpOnNq + (1 - yc)CO2 + C2O

У цьому рівнянні брутто - формула органічного субстрату й висушеної біомаси дані розраховуючи на один атом вуглецю. Наприклад, брутто - формула глюкози приймає вид СН2. Букви m й l характеризують склад конкретного субстрату, а букви p, n, q - склад отриманої біомаси.

На один атом вуглецю в клітинах дріжджів доводиться 1,7 атома водню й 0,55 атома кисню, а в клітинах бактерій на один атом вуглецю доводиться 1,82 атома водню й 0,47 атома кисню. Зміст азоту піддається більшим коливанням і його потрібно визначати в кожному конкретному випадку. Частка маси вуглецю в безводній біомасі безлічі різних мікроорганізмів дорівнює 0,46.

Вус - вихід по вуглеці. Частка вуглецю субстрату. Рівна вус, перейшла в біомасу, а інша частина (1 - вус) потрапила в O2. Аналогічним образом коефіцієнт із у рівнянні балансу відповідає числу молів, що утворилися, води. У процесі росту вода може споживатися й утворюватися. Коефіцієнт із відбиває сумарний баланс води в процесі росту мікроорганізмів розраховуючи на безводну біомасу. Коефіцієнт із показує число молів води, що утворилася при використанні одиниці субстрату в процесі росту з виходом по вуглеці, або з виходом O2 (1 - вус), з витратою аміаку а, або з витратою кисню b.

Матеріальний баланс можна розрахувати, знаючи кількість спожитого мікроорганізмами органічного субстрату й коефіцієнт при якому - або зі членів рівняння. Якщо кількість використаного субстрату невідомо, необхідно визначити два коефіцієнти.

Можна скласти формули, таблиці й графіки. Дозволяючи по відношенню двох коефіцієнтів рівняння росту визначити матеріальний баланс. Розгляд цих відносин має сенс тільки в можливих межах. Такими межами є, з одного боку, випадок, коли росту мікроорганізмів немає й весь органічний субстрат окисляється до СО2 і Н2О, а з іншого боку - ідеальний процес, коли вся хімічна енергія органічного субстрату збереглася б як хімічна енергія в біомасі. Фундаментальність поняття енергетичного виходу росту дозволяє використати його для порівняння ефективності процесів вирощування різних мікроорганізмів на різних органічних субстратах у фізіологічно порівнянних величинах. Значення енергетичного виходу росту лежать у зручних межах від 0 до 1. Обумовлене в експерименті або на виробництві значення енергетичного виходу росту відразу показує, наскільки отримана величина вилучена від граничного значення.

Значення виходу по масі, одержувані при вирощуванні мікроорганізмів на різних субстратах, не можна порівнювати для характеристики ефективності їхнього використання. Можна ввести поняття нормалізованих виходів, тобто виходів у відсотках від граничного значення для даного субстрату. Такі нормалізовані виходи були б ні чим іншим, як енергетичним виходом росту.

Значну цінність представляє вимір так званих неінерційних показників матеріального балансу - швидкостей споживання кисню й аміаку, утворення СО2.

При виборі параметрів для виміру балансу росту необхідно враховувати його специфічні закономірності на тім або іншому субстраті й характер змін показників балансу в робочій зоні вимірів. При вирощуванні дріжджів на метанолі відношення СО2/О2 менш зручно використати в зоні низьких виходів, чим у зоні середніх і високих значень виходів. А при вирощуванні на вуглеводах відношення СО2/О2 у зоні низьких виходів украй слабко залежить від виходу й, отже, незручно для визначення балансу росту.

Подібні статті

Чиста вода - джерело нашого здоров’я
Вода життєво необхідна. Вона потрібна скрізь - в побуті, сільському господарстві та промисловості. Вода необхідна організму більшою мірою, ніж усе інше, за винятком кисню. Людина може прожити без їжі 3-4 тижні, а без води - лише кілька ...

Основи фізіології харчування
Харчування - фізична потреба людини. їжа є вихідним матеріалом для побудови і відновлення кожної клітини організму людини. Підраховано, що за своє життя людина споживає в середньому близько 1,3 т білків, 12,5 т вуглеводів і 75 т води. За в ...