Stehiometrija i kinetika mikrobnih procesa

KINETIKA MIKROBIOLOŠKIH PROCESA
U bioproces, gde su biokatalizatori žive ćelije mikroorganizama, odigravaju se istovremeno i međusobno povezano rast, razmnožavanje, trošenje supstrata i sinteza primarnih i sekundarnih metabolita. Kinetika ovih procesa proučava brzine rasta ćelija mikroorganizama, trošenja limitirajuceg supstrata iz hranljive podloge i sinteze metabolita, kao i uticaj faktora okoline na njih. Jasno je da se mikrobiološki procesi sastoje, u principu, od dve međusobno veoma zavisna sistema, i to:
– žive ćelije mikroorganizama i
– okolne sredine, gde se odvijaju svi navedeni procesi.
Komponente hranljive podloge (nutrienti, supstrati) se prenose iz okolne sredine u ćeliju, a različiti proizvodi metabolizma i višak energije iz ćelije u okolinu. Ako se želi da se u potpunosti opišu sve pojave koje se dešavaju između ćelija, okoline i bioreaktore, onda bi matematički model bio veoma komplikovan i praktično nerešiv. U praksi se koriste dosta pojednostavljen modeli, koji približno realno opisuju mikrobiološke procese. Obično se koriste modeli sa idealizovanom interakcijom između biokatalizatora, faktora okoline i bioreaktore.
Mikrobiološki proces počinje inokulacijom hranljive podloge koja se nalazi u bioreaktoru. Nakon adaptacije inicijalne količine čiste kulture mikroorganizama (inokuluma), dolazi do rasta i razmnožavanja ćelija i konverzije supstrata iz hranljive podloge u:
– biomasu, zbog čega se količina mikroorganizama povećava i
– željeni proizvod, tj. Primarni ili sekundarni metabolit.
U oba slučaja, brzina nastajanja biomase i proizvoda je funkcija koncentracije i biohemijske aktivnosti ćelija mikroorganizama.
Za uspešno izvođenje mikrobioloških procesa potrebno je poznavanje brzine rasta mikroorganizama u datim uslovima. Drugim rečima, potrebno je da se zna kako se izabrani mikroorganizam uzgaja od laboratorijskih do industrijskih uslova, kao i da se dobiju ćelije odgovarajućeg fiziološkog stanja za odvijanje željenog procesa. Merenjem koncentracije ključnog (limitirajuceg) supstrata i biomase mikroorganizma dolazi se do osnovnih kinetičkih podataka o ispitivanom bioproces. Ako se tokom aktivnosti ćelija luči neki metabolit, koji predstavlja željeni proizvod, onda se u kinetička razmatranja uključuje brzina nastajanja proizvoda. Najbrži rast se odvija u eksponencijalnoj fazi rasta u kojoj se broj ćelija udvostručava stalnom brzinom, dok postoji dovoljna količina limitirajuceg supstrata (izvora ugljenika), a koncentracije otrovnih proizvoda metabolizma ne narastu do vrednosti koje usporavaju ili onemogućavaju rast.

Kinetika rasta mikroorganizama u diskontinualnim bioreaktorima

Mikroorganizmi rastu i razmnožavaju se u veoma širokom spektru fizioloških stanja ćelije i faktora okoline. Tako, na primer, ako se u hranljivu podlogu doda mala količina živih ćelija mikroorganizma, onda u odgovarajućim uslovima okoline ćelije počinju da rastu, tj. povećavaju se svi sastojci žive ćelije. Direktna posledica rasta ćelije je njihovo razmnožavanje.
Ako se zanemare druge aktivnosti ćelija, onda se kinetika rasta i razmnožavanja ćelija može definisati preko veličina kao što su:
– specifična brzina rasta,
– generaciono vreme i
– vreme udvostručenja mase mikroorganizama.
Rast mikroorganizama se obično definiše vremenom potrebnim da se udvostruči masa mikroorganizama (td) ili broj ćelija (tg), koja se mogu međusobno razlikovati, jer se često dešava da se masa ćelija povećava pri istom broju ćelija. Ako se u nekom mikrobiološkom procesu vreme udvostručenja mase ili broja ćelija ne menja sa vremenom, onda se proces rasta odvija u eksponencijalnoj fazi. Pri takvim uslovima se brzina odvijanja rasta, tj. promena koncentracije biomase X opisuje jednačinom:
Ovako definisana jednačina za rast mikroorganizama je obično nelinearnog karaktera, pa se pri njenom rešavanju javljaju slični problemi kao kod enzimskih reakcija. Kad se prati promena koncentracije mikroorganizama ili broja ćelija sa vremenom u diskontinualno bioreaktoru, onda se dobija kriva rasta, čiji je tipičan izgled prikazan na slici 03:14. Analizom krive rasta, zapažaju se četiri faze, i to:
– lag ili faza adaptacije,
– eksponencijalna faza,
– stacionarna faza i
– faza odumiranja.