Массообмен в процессах ферментации

Основные сведения.

Классификация и свойства ферментов.

Кинетика ферментативных процессов.

Массообмен в процессах ферментации.

Расчет аппаратов для проведения процесса ферментации.

Тепловой расчет.

Основные сведения.

Биохимическими процессами называют процессы, происходящие под действием ферментов и других активных веществ выделяемых (живым) микроорганизмов или отдельными клетками (бактериями).

Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков.

Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и др.).

Зная характер протекания биохимических процессов в пищевом сырье, можно установить те или иные особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса.

2. Классификация и свойства ферментов:

Ферменты (энзимы) – органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату. Они обеспечивают последовательность и взаимосвязанность многих сложных биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов.

Классификация ферментов:

По строению делятся на две группы:

- ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами и являющиеся однокомпонентными (только белок);

- ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простатической группой. Эти ферменты являются двухкомпонентными.

По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:

- оксидоредуктозы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

- трансферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метильных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору;

- гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т.е. расщепление различных сложных соединений (субстратов) при участии воды на более простые;

- лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление субстратов и отщепление от них тех или иных групп;

- изомеразы, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры;

- лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие соединения двух молекул субстрата путем образования связей.

С – О, С – S, C – N, или С – С.

Свойства ферментов:

1) Характерной особенностью ферментов является их высокая каталитическая активность, в значительной степени невосходящая активность химических катализаторов. Ферменты обладают способностью ускорять реакции в 10⁸ ÷ 10¹¹ раз.

2) Второй особенностью является избирательность их действия. Например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на другие дисахариды, в частности мальтозу, т.е. некоторые ферменты катализируют превращение практически только одного какого-либо вещества.

3) Третьим свойством, отличающим ферменты от химических катализаторов, является их большая лабильность, т.е. чувствительность к внешним воздействиям среды (влиянию температуры, концентрации водородных ионов, наличию активаторов и ингибаторов и др.).

Достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то обстоятельство, что они действуют при нормальном давлении и при относительно низких температурах – от 20 до 70^оС.

3. Кинетика ферментативных процессов:

Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: химической природы реагирующих веществ, концентраций самого фермента и субстрата, температуры и реакции среды рН, наличия активаторов и ингибиторов.

Скорость биохимических процессов зависит от:

- природы субстрата и его атакуемости. Под атакуемостью понимают его, понимают его податливость действию ферментов, которая зависит от структуры субстрата.

- концентраций самого фермента и реагирующих веществ. При избытке субстрата скорость реакции определяется, прежде всего, концентрацией фермента: чем она выше, тем быстрее идут реакции;

- наиболее существенное влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов оказывает температура и реакция среды. С повышением температуры активность ферментов возрастает, достигает максимума, а затем снижается.

- скорость биохимических процессов может быть увеличена в присутствии активаторов. Многие ферменты активизируются под действием соединений восстанавливающего действия, в частности веществами, содержащими сульфгидрильные группы (S – H): цистеином, глютатионом.

Существуют и ингибаторы ферментов, подавляющие их активность. Действие ингибиторов основано на блокировании сульфгидрильных связей фермента и превращении их в дисульфидные ( S – S) группы.

В ходе жизнедеятельность микроорганизмов клетки непрерывно претерпевают как количественные, так и качественные изменения: рост, изменение химического состава, морфологии, размножения, скорообразования и, наконец, отмирание.

1. лаг-фаза – характеризуется отсутствием роста клеток (происходит адаптация к внешним условиям и вырабатываются ферменты для роста клеток на данной питательной среде).

2. экспоненциальная фаза – клетки размножаются с максимально возможной в данных условиях скоростью (продолжительность этой фазы зависит от запаса питательных веществ в среде культивирования, эффективности перемешивания и скорости подвода кислорода к клетке, т.е. эффективности аэрации).

3. снижение скорости роста микроорганизмов вследствие увеличения накопления биомассы исчерпываются питательные вещества, накапливаются продукты обмена и снижается скорость массообмена кислорода с клеткой.

4. стационарная фаза дальнейшее потребление субстратов и выделение метаболитов приводят к прекращению роста.

5. стадия отмирания (число клеток резко снижается).

Кинетика роста биомассы микроорганизмов описывается уравнением.

(1)

где М – концентрация биомассы, кг/м²;

τ – продолжительность процесса, г;

К – удельная скорость роста биомасса, г^-1;

dM – прирост биомассы;

dτ – промежуток времени.

Удельная скорость:

Концентрация биомассы согласно (1) возрастает по экспонциальному закону:

М = М₀ l^kτ

где М₀ – концентрация биомассы в начале экспоненциальной фазы, кг/м³.

Прологарифмировав уравнение, получим:

ln M = M₀ + Kτ

Чтобы рассчитать удельную скорость роста, определяют значения М₁ и М₂ для двух точек, соответствующих продолжительности процесса τ₁ и τ_2.

Тогда:

Продолжительность регенерации τ_р, за которую количество биомассы увеличится в два раза,

Массообмен в процессах ферментации.

Существует анаэробные и аэробные микроорганизмы. Анаэробные микроорганизмы живут и развиваются без доступа кислорода, поэтому оборудование для их культивирования. Для роста аэробных микроорганизмов требуется кислород, который окисляет органические субстраты и обеспечивает клетки энергией.

При аэрации происходит два процесса:

- абсорбция кислорода ферментационной жидкостью

- усвоение растворенного в жидкости кислорода микроорганизмами.

Для жидкой фазы уравнение массоотдачи имеет вид:

(2)

где М – концентрация контроля, кг;

βж – коэффициент массоотдачи в жидкой среде, м/г;

Хр – равновесные концентрации кислорода, кг/м³;

Х – рабочая концентрация кислорода в жидкой фазе, кг/м³;

F – площадь поверхности массоотдачи, м²;

τ – продолжительность процесса, г.

Т.к. площадь поверхности раздела фаз F в барботажных аппаратах неопределима, выразим:

F = V_pa

где V_p - рабочий объем ферментатора, м³;

а – удельная площадь поверхности массоотдачи, м²/м³.

Тогда уравнение (2) примет вид:

или

где β_жV - объемный коэффициент массоотдачи, г^-1.

Β_жV = β_жа

На практике измеряют не концентрации кислорода, растворенного в жидкости, а его парциальные давления в газовой фазе, находящийся в равновесии с жидкостью.

Согласно закону Генри:

где Е – константа Генри, кг/(м³∙ Па);

Ро₂ – парциальное давление кислорода в ферментальную жидкость, Па.

Если считать, что в любой момент времени скорость времени скорость Wo₂ усвоение кислорода микроорганизмами из ферментационной жидкости равна скорости абсорбции, т.е. х = 0, то: