321 Технология ферментационных процессов. Лекция № 8

Технология ферментационных процессов. Лекция №

Молекулы большей части ферментов во много раз крупнее, чем молекулы тех субстратов, которые атакует данный фермент. Активный же центр фермента составляет лишь очень небольшую часть его молекулы, обычно от 3 до 12 аминокислотных остатков. Роль остальных аминокислот, составляющих основную массу фермента, заключается в том, чтобы обеспечить его молекуле правильную глобулярную форму, которая, как мы увидим далее, очень важна для наиболее эффективной работы активного центра фермента.

В 1959 г. Кошланд (Koshland) предложил новую интерпретацию гипотезы «ключа и замка» , получившую название гипотезы «индуцированного соответствия» . На основе данных, позволяющих считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он заключил, что субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре его активного центра. Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, принимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию.

Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что: • ферменты катализируют энергетически возможные реакции; • энергия химической системы остаётся постоянной; • в ходе катализа направление реакции не изменяется; • ферменты не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что: • скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами; • ферменты обладают высокой специфичностью; ферментативная реакция проходит в клетке, т. е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении р. Н; • скорость ферментативной реакции может регулироваться.

Ферментная технология включает продукцию, выделение, очистку, использование в растворённой форме и применение в иммобилизованном виде ферментов в широком круге реакторных систем.

Быстрое развитие ферментной технологии началось с 1950 -х гг на основе использования грибных (микробных) ферментов. Но ферментные процессы, в которых используются в качестве катализаторов микробные клетки, характеризуются большим числом ограничений:

1. Большая часть субстрата превращается в микробную биомассу в обычных условиях. 2. Наличие побочных реакций, приводящих к накоплению значительных количеств отходов. 3. Условия для роста микроорганизма могут быть иными, нежели для образования и накопления необходимого продукта. 4. Выделение и очистка необходимого продукта из культуральной жидкости может быть сопряжена с трудностями.

Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду посевного материала и до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта. По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из клеток продуцента, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза. Такую смесь называют культуральной жидкостью.

Различают следующие микробиологические процессы: аэробное и анаэробное культивирование; твердофазное, поверхностное и глубинное культивирование; периодическое и непрерывное культивирование.

Аэробное культивирование — аэрация среды — непременное условие в тех микробиологических процессах, в которых используются аэробные микроорганизмы-продуценты.

Анаэробные процессы биологического окисления у гетеротрофных микроорганизмов в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, делят на три группы: дыхание (акцептор — кислород); брожение (акцептор — органическое вещество) и анаэробное дыхание (акцептор — неорганическое вещество : нитраты, сульфаты и др. ).

У облигатных анаэробов брожение является единственно возможным способом получения энергии; у факультативных анаэробов оно составляет обязательную первую стадию катаболизма глюкозы, за которой может следовать аэробное окисление образовавшихся продуктов, если в среде присутствует кислород.

Твердофазную ферментацию обычно реализуют в твердой, сыпучей или пастообразной среде, влажность которой составляет 30– 80 %. Различают три типа твердофазных процессов: • поверхностные процессы: слой субстрата, например соломы, не превышает 3– 7 см ( «тонкий слой» ); роль биореактора выполняют большие, площадью до нескольких квадратных метров, подносы из алюминия или культивационные камеры);

Поверхностная ферментация на жидких субстратах реализуется в кюветах со средой, помещенных в вентилированные воздухом камеры. Культура микроорганизмов при этом образует биомассу в виде пленки или твердого слоя на поверхности жидкой среды. Культура потребляет кислород непосредственно из газовой фазы — воздуха.

Глубинное культивирование микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды, содержащей растворенный субстрат. Ферментер должен обеспечивать рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой фазы, подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов, отвод от микробных клеток продуктов их обмена веществ (метаболизма), отвод из среды выделяемого клетками тепла. Глубинное культивирование можно осуществлять периодическим и непрерывным способами.

Периодическое культивирование. При периодическом способе культивировании в ферментер загружают сразу весь объем питательной среды и вносят посевной материал. Выращивание микроорганизмов проводят в оптимальных условиях в течение определенного времени, после чего процесс останавливают, сливают содержимое ферментера и выделяют целевой продукт.

Непрерывные процессы. При непрерывном способе питательная среда непрерывно подается в ферментер (биореактор), в котором создают оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из ферментера (биореактора) также непрерывно вытекает культуральная жидкость вместе с микроорганизмами.

Конструктивные различия ферментеров (биореакторов) определяются в основном способами подвода энергии и аэрации среды: • ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к газовой фазе; • ферментеры (биореакторы) с подводом энергии к жидкой фазе; • ферментеры (биореакторы) с комбинированным подводом энергии.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!