В ферментационном процессе

Эффективность аэробной ферментации зависит от скорости растворения и концентрации кислорода в ферментационной среде. Микроорганизмы потребляют кислород только из раствора. Обеспечение микроорганизмов кислородом часто является лимитирующим фактором в ферментационном процессе. Растворимость кислорода в воде из воздуха при температуре 38°С и атмосферном давлении составляет около 7 мг/дм³. Растворимость чистого кислорода в воде при тех же условиях – 33 мг/дм³. Неорганические и органические компоненты питательной среды понижают растворимость кислорода в среднем на 10%.

В условиях полного смешения массопередача кислорода описывается уравнением:

где q – скорость массопередачи кислорода из газовой фазы в жидкость, кгО₂/(м³·ч);

k – константа, зависящая от степени турбулизации среды, м/ч;

а – удельная поверхность раздела газовой и жидкой фаз, м²/м³;

k · а – объемный коэффициент переноса кислорода, ч^–1;

с ^*, с – равновесная и рабочая концентрации кислорода в жидкости, кг/м³;

α – потребность культуры в кислороде, кгО₂/кгАСБ;

µ – скорость роста культуры, ч^–1;

x – концентрация биомассы, кгАСБ/ м³.

Правая часть уравнения отражает потребление кислорода микробной массой.

Потребность культуры в кислороде определяется природой субстрата. Например, при выращивании продуцентов белка (дрожжи, бактерии) на углеводных средах требуется кислорода (кг/кгАСБ) 0,9–1,1, на этаноле – 1,7–1,9, на н-парафинах – 2,2–2,5, на метане – 3,5–5,0. Чем выше доля углерода в субстрате, тем больше потребность в кислороде и тем больше тепловыделения при ферментации. В среднем тепловыделения при выращивании микроорганизмов составляют 14,2–14,4 кДж на 1 г потребленного кислорода.

Объемный коэффициент переноса кислорода (k · а) зависит от условий ферментации: объема ферментатора, мощности привода мешалки, соотношения диаметра и высоты аппарата, типа аэрационной системы, температуры процесса, реологических свойств культуральной среды (увеличение вязкости среды снижает коэффициент массопереноса).

В промышленных ферментаторах с точки зрения массообменных процессов лимитирующим фактором является не столько концентрация растворенного кислорода, сколько скорость его растворения, которая определяется прежде всего расходом аэрирующего агента (воздуха или технического кислорода) и концентрацией кислорода в нем, а также конструкцией системы распределения воздуха.

Проблема лимитации роста микроорганизмов кислородом в производственных условиях может быть решена следующими путями:

– использованием для аэрации среды в ферментаторах воздуха, обогащенного кислородом (30–35% О₂) или технического кислорода;

– проведением процесса ферментации при повышенном давлении (до 0,8 МПа);

– использованием колонных ферментаторов большой высоты (до 40 м) – высокое гидростатическое давление повышает растворимость кислорода в среде.

О роли СО₂ известно гораздо меньше, чем о роли кислорода. На растущие микробные клетки СО₂ может влиять двойственно: низкие его концентрации необходимы для роста клеток, а высокие концентрации обладают ингибирующим действием. Полное отсутствие СО₂ отрицательно сказывается на росте большинства микроорганизмов (если не всех микроорганизмов вообще).

СО₂-лимитирующие условия могут возникнуть в начале роста культуры (в результате удлиняется лаг-фаза) или при чрезмерной аэрации среды, что бывает редко. Вместе с тем при парциальном давлении больше 25–100 кПа СО₂ задерживает рост большинства микроорганизмов, хотя устойчивость микроорганизмов к СО₂ сильно различается. В частности, наиболее чувствительны к СО₂ бактерии рода Pseudomonas, наименее чувствительны – молочнокислые гомоферментативные бактерии. Лимитирование по кислороду, а также низкие значения рН среды усиливают ростоингибирующее действие СО₂. Отрицательное действие СО₂ на микроорганизмы усиливают также некоторые субстраты, в частности, этанол.