CC BY
73
УДК 663.14.001.71
Исследование влияния некоторых факторов на кинетику роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae при периодическом культивировании
Д-р техн. наук, акад. МАХ В.Б ТИШИН, К. АЛЬАСААД, М.М. КХАЛИЛ
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
This research produces the equation of kinetics of growth of yeast (Saccharomyces cerevisiae). Unknown parameters, which enter in the equation of kinetics, had determined experimentally through a cultivation of yeast in the fermenters of bubbling, by periodical method without providing substratum to the fermenter.
В последние два десятилетия стала развиваться технология производства пекарских дрожжей при высоких концентрациях биомассы в культуральной среде. Так, в работе [4] указывается на возможность достижения конечной концентрации биомассы Хк = 100... 120 кг АС Б/м3 (АСБ — абсолютно сухая биомасса) при начальной концентрации хн = 12,5...
73,3 кг АСБ/м3. Было указано также, что, несмотря на падение почасового прироста биомассы а от 1,2 до 1,06 (падение удельной массы скорости р от 0,25 до 0,064 1 /ч), с ростом концентрации биомассы и снижением кратности разбавления мелассы продуктивность процесса возрастала. То есть увеличение конечной концентрации и снижение кратности разбавления экономически выгодно. Следует отметить, что эти результаты были получены при культивировании дрожжей доливным методом в высокоинтенсивном струйно-инжекционном аппарате (КСИА), отличающемся от применяемых в настоящее время на большинстве отечественных и зарубежных дрожжевых заводов барботажных ферментеров более высокими массообменными характеристиками.
Наряду с положительными сторонами КСИА имеет один существенный недостаток, связанный с затратами энергии на циркуляцию жидкости и создание высокой кинетической энергии жидкой струи, обеспечивающей в зоне аэрации культуральной жидкости высокую степень турбулентности и, как следствие этого, высокие скорости массообме-на между газом и жидкостью и жидкостью и клеткой. Если к тому же учесть, что время пребывания жидкости в емкости-накопителе биомассы не должно превышать 40—60 с, то становится очевидным — применение КСИА ограничено сравнительно малыми объемами. Например, если попытаться использовать струйную аэрацию в существую-
щих барботажных аппаратах объемом 200 м\ то при необходимом напоре насоса 15—20 м вод.ст. мощность двигателя (при КПД, равном 0,7) должна быть равна 950... 1400 кВт. Установка оборудования такой мощности на дрожжевых заводах весьма сомнительна. Поэтому работа КСИА возможна при объеме аппарата не более 20...30 м3, т.е. он может быть задействован на стадии производства чистых культур дрожжей, что также немаловажно, так как рост конечной концентрации требует увеличения количества засевной культуры.
Указанные обстоятельства заставляют задуматься над тем, а нельзя ли провести культивирование при высоких концентрациях биомассы в обычных, применяемых на заводах барботажных аппаратах, основное достоинство которых заключается в простоте и надежности? Какие условия для этого необходимо создать? Для ответа на поставленные вопросы требуются теоретические и экспериментальные исследования кинетики культивирования дрожжей с целью выяснения влияния на скорость прироста биомассы различных факторов: кратности разбавления мелассы, расхода воздуха, начальной и конечной концентрации, методов культивирования.
С целью определения общих кинетических закономерностей развития дрожжевых клеток необходимо провести исследования по культивированию периодическим методом, без подачи субстрата, на модели барботажного дрожжерастильного аппарата, ограничиваясь на первой стадии установлением влияния на скорость прироста биомассы только кратности разбавления мелассы и расхода воздуха. Такие исследования были выполнены в аппарате объемом Ус = 0,007 м3, кратность разбавления мелассы Кр бралась равной 4,4; 8,4; 20,4 кг культуральной среды/кг М46(М46 — количество стандартной мелассы, содержащей 46 % сахара,
кг); удельный расход воздуха = 31,43; 92,85 и
213,3 м3воздуха/(чм3 среды); температура культивирования поддерживалась постоянной в пределах 30±1°С.
Начальная концентрация биомассы при заданной кратности разбавления мелассы рассчитывалась по формуле
Хц ^46 ^1
где А = 8 % — величина засева дрожжей, % от количества стандартной мелассы;
V — объем культуральной жидкости в аппарате, м3.
В опытах использовалась нестандартная меласса с массовой долей сахара 47,2 %. При обработке экспериментальных данных время лаг-фазы и стационарного роста (если таковые имели место) во внимание не принималось.
Во время опытов через каждый час отбирались пробы на определение концентрации биомассы и сахара. Эксперименты показали, что изменение концентрации биомассы во времени зависит как от кратности разбавления мелассы, так и от расхода воздуха. На рис. 1 представлены наиболее характерные результаты измерений х и концентрации субстрата &
Из опытных данных находились локальные значения удельной скорости роста клеток по формуле
5, кг/м3
60
х, кг/м3 55 50 3 45 40 35 30 25 20 15
т
X
ч
N
\
\
2 V >
V > /
-- -- ч Ч
N N ч" <] \
> -V
— — V Ч| 4 / V
N. ч. N ^
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5т, ч
Рис. 1. Изменение концентрации дрожжей (влажность 75 %) и сахара во времени при периодическом культивировании: q = 92,85 ч~>; Кр = 8 кг/кг, 1-х, 2-8;
К = 20кг/кг, 3-х, 4- Б
0,2 0,1 в 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06
3 1 г / / 1 1
/ / / / // 1у Г / / 1 1 / ! к \
[у
# / / \ и
/ I 1 1 г *7 1 * Л
1 1 1
1
Рис. 2. Изменение локальной удельной скорости во времени:
Я = 92,85 ч-1:1 - К = 4, 2 - К = 8, 3 - К = 20; д = 31Р,43 ч-1: 4 - "к =4
/1 = 1п
>+1
1
х, Дт где Ат = 1 ч;
х, их/+1 — значения концентраций в предыдущей и поступающей пробах соответственно.
На рис. 2 в графическом виде представлены зависимости ц от т. Обращает на себя внимание в большинстве случаев колебательный характер изменения значений ц, обусловленный, видимо, цикличностью размножения популяции клеток, что отмечалось и в других работах [5].
Последнее, скорее всего, связано с падением концентрации субстрата и накоплением этанола.
Строгой зависимости между локальной удельной скоростью и концентрацией субстрата установить не удалось. Обработка опытных данных по формуле Моно
ц = ци[5/(^+5)) (1)
показала, что константа насыщения К8 не является величиной постоянной и зависит от условий культивирования. Этот факт ненов и подтверждается многими исследователями [1, 2].
При расчетах по формуле (1) за максимальную скорость принималось в одном случае наибольшее значение |1 в данном опыте, в другом - среднее ц, которая находилась из уравнения
X* =-
(2)
Как в том, так и другом случае КБ менялась в широких пределах и никакой зависимости изменения К8 от расхода воздуха и кратности разбавления мелассы не прослеживалось.
Для расчета ц в уравнении (2) была получена эмпирическая зависимость
Д = аАГр\ (3)
где а = 0,0257д°'247; Ь = 0,387.
Точность расчета при определении х по уравнениям (2) и (3) невелика. Максимальное отклонение экспериментальных значений х от расчетных составляет 30 %. Однако, несмотря на этот недостаток, из уравнения (3) все же видно, что ц в пределах эксперимента зависит от ^ и Кр. Скорее всего, причина этого кроется в связи ц с физическими свойствами среды (плотность, вязкость, коэффициент диффузии, осмотическое давление) и гидродинамической обстановкой в аппарате, которые влияют на условия массообмена как между жидкостью и воздухом, так и клеткой и жидкостью.
В поисках более удачного вида уравнения, описывающего кинетику культивирования дрожжей, был выбран несколько иной подход к решению поставленной задачи. Согласно рис. 1 можно записать
х- = д„ + Лдс, (4)
где Ах — приращение биомассы за время т относительно хн.
Или в безразмерном виде
хб = х^хн=1+Ах/хн, (5)
где Ах/Дн — безразмерное значение относительного прироста биомассы за время т.
Из графиков (рис. 3) видно, что Ах ~ т", в этом случае уравнение (5) можно представить в следующем виде:
*6=1 + (Щ*)'- (6)
-*6, кг/м3 5.5 |—
4.5
3,5
1,5
•
//
/, * /
/ / ? /' / У X У
> / / / ✓ < ✓ У
У ✓ г
/ к г-"1
л
и
0 1 2 3 4 5 6 71,ч
Рис. 3. Зависимость прироста биомассы х6 от времени культивирования т:
К = 8; <?: • - 31,43 1/н; О - 92,851/ч; + - 214,3 1/н; Кр = 4; д: х - 31,43 1/ч
По физической сущности {И] есть удельная скорость относительного прироста биомассы в промежутке времени отт = 0 до т = т,. В общем случае она должна зависеть от Ар и а при высоких концентрациях биомассы — и от х.
Анализ данных эксперимента привел к интересным выводам. Оказалось, что величина 1 /щ представляет собой время удвоения концентрации от х = х^дох= 2хн.
Необходимо заметить, что результаты обработки опытных данных, полученных при культивировании дрожжей доливным методом в КСИА [4], по уравнению (6) дали такой же результат [3]. Можно предположить, что кинетика роста дрожжевых клеток в экспоненциальной фазе не зависит от методов культивирования.
Наиболее точную зависимость ^ от Ар и # дает уравнение вида
(7)
На основе опытных данных были получены эмпирические формулы для расчета цт1 и Ь{.
цт1 = 1/(3,615 - 4,486 10-V.1*7); (8)
Ь{ = 0,023 0,993* <т°’816; (9)
Л1 = 4,75.
Проанализируем уравнение (7) при крайних значениях Кр и q. При Кр и заданном расходе воздуха |11тах = цт1- С другой стороны, при Ар -» 0 щ будет стремиться к минимальному значению:
Ц1пип = 0,174ц„,. (10)
Иными словами, согласно уравненям (7), (8), (9), (10) прирост биомассы будет иметь место и при культивировании на неразбавленной мелассе, но при наличии интенсивного аэрирования. Этот вывод требует экспериментальной проверки.
Интересен и другой вариант — <7=0, соответствующий культивированию без принудительной подачи воздуха в аппарат, т.е. кислород будет в культуральную среду поступать из атмосферы через свободную поверхность жидкости за счет молекулярной диффузии. В этом случае |11 будет стремиться к постоянной величине, равной 0,0481/ч, т.е. время удвоения биомассы в таком случае составит около 20 ч. Этот вариант также требует опытной проверки.
В целом погрешность расчетов коэффициентов цт1 и Ц] по уравнениям (7), (8) и (9) не превышает
2 %, за исключением двух случаев — Ар = 8,4 при q = 92,85 и </ = 214,31/ч, где ошибка составляет 6 % и 8 % соответственно. Для наглядности в таблице приведены расчетные и опытные значения |!т1 и щ.
