2.4. Теория процессов ферментации микроорганизмов на субстратах из растительного сырья 2.4.1. Классификация процессов ферментации микроорганизмов

В предыдущих разделах мы остановились на теории получения гидролизатов растительного сырья с помощью различных ферментов. Перевод полисахаридов растительного сырья в моносахариды и олигосахариды необходимо осуществить с целью дальнейшего использования их для культивирования микроорганизмов и получения белков, аминокислот, витаминов и др.

Виестур [31] систематизировал процессы ферментации и разделил их по технологическим признакам на группы в соответствии с характеристиками биореакторов и условиями выращивания микроорганизмов.

В соответствии с этой классификацией процессы ферментации микроорганизмов можно разделить по следующим технологическим признакам:

1. аэробные, анаэробные;
2. периодические, непрерывные (полунепрерывные, приточные, отборно-приточные);
3. стерильные, условно-стерильные, нестерильные;
4. целевой продукт находится в клетках, вне клеток, нужна биомасса;
5. глубинные, поверхностные, биокаталитические реакции, осуществляемые при помощи клеток или их компонентов на носителях (иммобилизованные системы);
6. глубинные процессы на различных субстратах:

? растворимых;

? не растворимых (жидких - эмульсионных и в виде пульпы);

7. поверхностные процессы на различных субстратах:

? жидких;

? твёрдых.

В данной книге рассматриваются только поверхностные и глубинные процессы ферментации на жидких и твёрдых субстратах с целью получения биомассы микроорганизмов как основы для получения кормовых белковых продуктов и компостов.

2.4.2.Фазы роста микроорганизмов

Для управления процессами ферментации необходимо знать закономерности роста микрорганизмов в периодических и непрерывных условиях культивирования.

При периодических процессах культивирования микроорганизмов глубинным способом популяция микроорганизмов проходит семь стадий развития (рисунок 2.5).

I фаза называется лаг-фазой. В это время культура адаптируется к новой среде обитания. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизма, состава питательной среды, условий культивирования.

II фаза называется фазой ускорения роста микроорганизмов. Это фаза начала деления клеток, увеличения скорости роста культуры, количества биомассы.

                      N

                              I   II    III  IV   V   VI    VII

                                                                             ?,ч

                    Рис. 2.5. Фазы роста микроорганизмов

  N ? число клеток, кл/м3.

III фаза называется экспоненциальной (логарифмической) фазой роста микроорганизмов. Она характеризуется максимальной скоростью роста культуры. Логарифм числа клеток линейно зависит от времени. В результате роста культуры истощается питательная среда, накапливаются продукты метаболизма. При увеличении биомассы культуры возникают пространственные ограничения, ведущие к ухудшению контакта микробной клетки с питательной средой. Скорость роста культуры понижается и наступает IV фаза – фаза замедления роста.

V фазу роста микроорганизмов называют стационарной. Количество образовавшихся живых клеток равно количеству клеток, отмерших и автолизированных.

VI фазу называют фазой ускорения отмирания микроорганизмов. Количество отмирающих клеток больше количества вновь образующихся живых клеток.

VII фаза – фаза отмирания, завершающаяся стадия цикла роста и развития популяции микроорганизмов.

При периодическом процессе культивирования микроорганизмов с целью получения биомассы время конца процесса совпадает со временем перехода роста культуры в стационарную фазу.

В случае проведения периодического процесса ферментации с целью получения продукта метаболизма время конца процесса определяется максимальным накоплением этого метаболита. Это может быть любая из стадий IV-VII.

При непрерывном культивировании микроорганизмов с целью получения биомассы время пребывания биосуспензии в биореакторе должно соответствать времени окончания III фазы – логарифмической. В случае получения продукта метаболизма время пребывания биосуспензии в биореакторе должно соответствовать времени максимального накопления этого метаболита.