Интенсификация процессов аэробного культивирования микроорганизмов

ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 661.185.4:57.083.13

И. С. Владимирова, В. М. Емельянов, Н. К. Филиппова, Л. Ю. Кошкина

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ АЭРОБНОГО

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Ключевые слова: переносчик кислорода, массопередача, неионогенное поверхностноактивное вещество, культивирование, микроорганизмы, интенсификация, аэробная ферментация, газотранспортные свойства, the carrier of oxygen, mass transfer, nonionogenic surfactant, cultivation, microorganisms, intensification, aerobic fermentation, gas transport

properties.

Проведен поиск нового переносчика кислорода - неионогенного поверхностно-активного вещества (НПАВ). В модельных условиях изучен механизм его действия. Проведены технологические испытания. В результате сокращена продолжительность лаг-фазы всех исследуемых процессов; увеличена глубина окисления сорбита на 75,5%, биомасса пекарских дрожжей выросла на 28%, спиртовых дрожжей - на 11%. Search a new carrier of oxygen - surface-active substance is carried out. It’s studied in model conditions. Technological tests are carried out. The method of intensification of aerobic fermentation processes with surface-active substance enables, to decrease lag-phase in all research processes, to increase the depth of sorbite oxidation by 75,5%, to increase biomass of baker’s yeast by 28%, to increase biomass of alcohol’s yeast by 11%

Проблема совершенствования действующих технологических процессов, повышения их эффективности является актуальной для биотехнологии. Практический интерес представляют вопросы транспорта кислорода к клеткам малорастворимых субстратов, имеющих низкие коэффициенты диффузии и высокие коэффициенты потребления [1]. Известно, что интенсификация процесса транспорта кислорода из газового пузыря к клетке в аэробных ферментационных процессах приводит к росту выхода целевого продукта, сокращению длительности технологического цикла, экономии сырьевых ресурсов.

Метод интенсификации процессов ферментации, лимитированных скоростью транспорта кислорода, с помощью поверхностно-активных веществ - переносчиков кислорода, улучшающих условия аэрации в ферментационной среде, был разработан на кафедре химической кибернетики КГТУ им. Кирова [2, 3].

Цель настоящего исследования - расширить уже известный ряд переносчиков кислорода новым эффективным веществом с газотранспортной функцией, изучить механизм его действия, провести технологические испытания в аэробных ферментационных процессах, нуждающихся в улучшении снабжения культуральной жидкости (КЖ) кислородом.

Вещества, способные интенсифицировать транспорт кислорода в биосистеме, должны удовлетворять следующим основным критериям [2]:

- быть максимально безвредными для микроорганизмов;

- сохранять свою химическую структуру в ферментационной системе, т.е. иметь высокую химическую устойчивость;

- обратимо сорбировать кислород и т.д.

Изучение газотранспортных свойств исследуемого вещества проводились в аэробных процессах микробиологического окисления сорбита в сорбозу, в процессах выращивания пекарских и спиртовых дрожжей.

Экспериментальная часть

Для исследования был выбран эфир янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта - неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ). Это вещество хорошо растворяется в воде, используется в косметических средствах и пищевых эмульсиях в качестве эмульгатора и солюбилизатора, удовлетворяет первым двум основным требованиям, предъявляемым к веществам, используемым в биосистеме.

Исследования по изучению способности эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта интенсифицировать скорость транспорта кислорода проводили в лабораторном ферментере объемом 2 литра, снабженном мешалкой, механическим пеногасителем, барбо-тажным устройством, термостатом, оксианализатором, регистрирующими и контролирующими приборами.

Соответствие выбранного соединения требованию обратимо сорбировать кислород изучали методом физической абсорбции.

Метод физической абсорбции позволил определить сорбционные характеристики вещества, возможность выполнения им газотранспортной функции. Суть метода заключается в регистрации с помощью мембранного кислородного датчика уровня насыщения воды кислородом в присутствии насыщенного или обескислороженного испытуемого вещества. Процессы насыщения кислородом или обескислороживания (продувка азотом) водного раствора НПАВ проводились в течение 3-х часовой аэрации при перемешивании.

С помощью модельной химической реакции окисления сульфита [4] даны оценки скорости массопередачи кислорода в системе газ-жидкость с добавлением НПАВ. Изучение сульфитных характеристик ферментера при различных гидродинамических условиях выполняли при постоянной температуре 300С и при установившейся скорости окисления сульфита. Сульфитные числа определяли балансовым методом по разности содержания кислорода во входящем и выходящем из аппарата газовых потоках. Парциальное давление кислорода измеряли оксианализатором ММГ-7.

Технологические испытания НПАВ в процессе микробиологического окисления сорбита осуществляли в условиях качалочного культивирования при температуре 370С, рН = 4,0^4,9, скорости встряхивания 220 мин-1 . Использовали питательную среду следующего состава, (%): Д-сорбит - 47,0; аммоний азотнокислый - 6,6; дрожжевой автолизат - 1,3; кукурузный экстракт - 0,5; водопроводная вода с рН до 7,0.

Рабочий объем качалочных колб составлял 50 мл и был неизменным в каждом опыте, что моделировало равные условия массообмена. Микробиологическое окисление Д-сорбита в L- сорбозу проводили в присутствии уксуснокислых бактерий Aceto-bacter Xylinum.

Технологические испытания НПАВ в процессах выращивания спиртовых и пекарских

дрожжей проводили в условиях качалочного культивирования при температуре 28^30°С, рН =

-1

4,8^5,0, скорости встряхивания 220 мин- . Исследовали культуры спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae раса XII и пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae МД3.

Водный раствор НПАВ стерилизовали в автоклаве при 0,1 МПа в течение 0,5 часа. Стерильный раствор НПАВ вносили в КЖ в различных количествах для определения оптимальной концентрации. Подсчет клеток осуществляли в камере Горяева, концентрацию редуцирующих веществ (рВ%) определяли методом Бертрана, активную кислотность - на рН-метре, концентрацию биомассы - на фотоколориметре ФЭК-2.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлены кинетические кривые, полученные методом физической абсорбции, характеризующие скорость насыщения дистиллированной воды кислородом в

присутствии насыщенного кислородом или обескислороженного раствора НПАВ. Внесение незначительного количества (1% об.) насыщенного кислородом 20% раствора НПАВ приводило к увеличению скорости насыщения воды кислородом (кривая 1), что связано с десорбцией кислорода из раствора НПАВ в водную фазу. При этом растворимость кислорода в воде не менялась, а процесс достижения равновесия ускорялся. При внесении в воду обескислороженного раствора НПАВ скорость абсорбции кислорода водой снижалась (кривая 2). На первый взгляд это можно связать с образованием дополнительного межфаз-ного сопротивления, которое создает слой НПАВ на границе раздела фаз. Если это предположение действительно, то внесение обогащенного кислородом раствора НПАВ не должно было приводить к росту скорости насыщения воды кислородом (кривая 7).

%, нас

1 - Вода с добавлением насыщенного кислородом НПАВ —°— 2 - Вода с добавлением обескислороженного НПАВ —л— 3 - Вода

Рис. 1 - Кинетические кривые физической абсорбции воды кислородом

Очевидно, что влияние НПАВ на скорость сорбции кислорода водой нельзя объяснить традиционными факторами: снижением поверхностного натяжения или увеличением диффузного сопротивления. Можно предположить, что наблюдаемый эффект связан с двумя процессами: растворением кислорода как в воде так и в НПАВ. Причем соотношение скоростей этих процессов и определяет скорость изменения концентрации кислорода в воде в начальный период сорбции.

Метод физической абсорбции позволил определить способность исследуемого эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта насыщаться кислородом в области повышенного парциального давления и отдавать его при снижении парциального давления.

Количественная оценка скорости сорбции кислорода в присутствии НПАВ проведена с помощью сульфитного метода.

На рис.2 представлены экспериментальные зависимости коэффициента ускорения массопередачи кислорода  ( = М0пыт/Ык0нтр0ль, где N - сульфитное число) от концентрации НПАВ при различных режимах перемешивания. Внесение незначительных добавок

НПАВ интенсифицировало процесс окисления сульфита в 3 раза. При всех исследуемых режимах оптимальная концентрация НПАВ составляла 0,01 г/л. С ростом скорости перемешивания вклад НПАВ в интенсификацию массопередачи кислорода уменьшается. Можно предположить, что с увеличением мощности, диссипируемой в единице объема жидкости, время стадий абсорбции и десорбции кислорода поверхностно-активным веществом сокращалось, что и привело к снижению его вклада в ускорение транспорта кислорода.

а

о

и

н

5

Я

5

т

0,005 0,01 0,015 0,02

Концентрация НПАВ, г/л

“1 -

3 -

Рис. 2 - Экспериментальные зависимости коэффициента ускорения массопередачи кислорода ж от концентрации исследуемого НПАВ при различных режимах перемешивания

На основании проведенных модельных исследований делаем вывод о том, что максимальный вклад в массопередачу кислорода в системе газ-жидкость НПАВ вносило при скорости перемешивания 600 об/мин, т. е. при низких массообменных характеристиках аппарата (N=2^3 г О2 /л-час). Учитывая многогранность влияния НПАВ на массопередачу в сложной ферментационной системе, которое зависит от многих взаимосвязанных факторов, суммарный эффект от их действия можно определить только экспериментальной проверкой конкретного НПАВ в исследуемом микробиологическом процессе. Проведены технологические испытания по изучению влияния исследуемого вещества в процессах микробиологического окисления сорбита в сорбозу и выращивания спиртовых и пекарских дрожжей (табл. 1, рис.3, 4). Во всех исследуемых процессах в присутствии НПАВ наблюдали сокращение продолжительности лаг-фазы (фазы адаптации культуры к среде). Применение оптимальной концентрации НПАВ увеличило глубину окисления сорбита в сорбозу на 75,5%, биомассу пекарских дрожжей - на 28%, спиртовых дрожжей - на 11%. Микроскопия дрожжевых культур, выращенных с использованием эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилирован-ного высшего спирта, показала увеличение по сравнению с контролем гликогенсодержащих клеток на 20%, сокращение количества мертвых клеток (их насчитывалось менее 1%).

_ ^пыт^контроль

Таким образом, испытания на биологических объектах подтвердили перспективность применения эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта для интенсификации процессов аэробной ферментации микробной массы.

Таблица 1 - Влияние НПАВ на процесс биохимического окисления сорбита в условиях качалочного культивирования

Ферментация Глубина окисления, % Среднее значение глубины окисления, % Увеличение глубины окисления, %

38,5

38,5

Контроль

37,7 38,5

39,3

69,2

Опыт (0,01 г/л 66,8

НПАВ) 67,3 67,5 75,5

67,1

Рис. 3 - Зависимость оптической плотности от часа роста спиртовых дрожжей в присутствии исследуемого НПАВ

Предлагаемый способ является удобным решением проблемы повышения эффективности действующих технологий, простым в исполнении, не требующим аппаратных реконструкций.

2,5

¡3 2

и

О

ал

О

1,5

1

0,5

0

,

X

0 2 III 4 6 8 Час роста, ч

1 Контроль

НПАВ

Рис. 4 - Зависимость оптической плотности от часа роста пекарских дрожжей в присутствии НПАВ

Выводы

Исследована способность эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта обратимо сорбировать кислород. Проведены гидродинамические исследования. Дана оценка влияния НПАВ на скорость массопередачи кислорода. Показано трехкратное увеличение скорости транспорта кислорода с помощью НПАВ при низких массообменных характеристиках биореактора.

Проведены технологические испытания эфира янтарной кислоты и полиоксиэтили-рованного высшего спирта в микробиологических процессах, нуждающихся в улучшении аэрации. Показана высокая эффективность от его применения: сокращение продолжительности лаг-фазы, увеличение глубины окисления сорбита в сорбозу на 75,5%, увеличение биомассы пекарских дрожжей на 28%, спиртовых дрожжей - на 11%.

Литература

1. Винаров, А.Ю. Моделирование процессов ферментации на малорастворимых субстратах / А.Ю. Винаров, В.В. Кафаров. - Обзор, серии ВМ, 1978. - 60 с.

2. Владимирова И.С. Интенсификация массопередачи кислорода в процессах ферментации с использованием ПАВ: дис. ... к.анд. техн. наук: 06.17.08: защищена 16.01.1990: утв. 15.07.1990 / И.С. Владимирова. -Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 1990. - 146 с.

3. Шарифуллин В.Н., Владимирова И.С. Условия интенсификации массопереноса кислорода с помощью ПАВ // Тез. докл. Всесоюзной конф. по процессам и аппаратам для микробиологических производств. Грозный, 1989. С.25.

4. Виестур, У.Э. Культивирование микроорганизмов / У.Э Виестур. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 231 с.

© И. С. Владимирова - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КГТУ; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ; Н. К. Филиппова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Л. Ю. Кошкина - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.