1
УНИВЕРЗИТЕТ У ПРИШТИНИ
ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА
КОСОВСКА МИТРОВИЦА
Смер: Инжењерство заштите животне средине и заштите на раду
Предмет: Основи биопроцесног инжењерства
СЕМИНАРСКИ РАД
Тема: Стехиометрија и кинетика микробних процеса
Ментор: Припремио:
Проф.Др. Влада Вељковић Зоран Милковић 62/13
Косовска Митровица, Нов 2015
2
КИНЕТИКА МИКРОБИОЛОШКИХ ПРОЦЕСА
У биопроцес, где су биокатализатори живе ћелије микроорганизама, одигравају се
истовремено и међусобно повезано раст, размножавање, трошење супстрата и синтеза
примарних и секундарних метаболита. Кинетика ових процеса проучава брзине раста
ћелија микроорганизама, трошења лимитирајуцег супстрата из хранљиве подлоге и
синтезе метаболита, као и утицај фактора околине на њих. Јасно је да се микробиолошки
процеси састоје, у принципу, од две међусобно веома зависна система, и то:
- живе ћелије микроорганизама и
- околне средине, где се одвијају сви наведени процеси.
Компоненте хранљиве подлоге (нутриенти, супстрати) се преносе из околне средине у
ћелију, а различити производи метаболизма и вишак енергије из ћелије у околину. Ако се
жели да се у потпуности опишу све појаве које се дешавају између ћелија, околине и
биореакторе, онда би математички модел био веома компликован и практично нерешив. У
пракси се користе доста поједностављен модели, који приближно реално описују
микробиолошке процесе. Обично се користе модели са идеализованом интеракцијом
између биокатализатора, фактора околине и биореакторе.
Микробиолошки процес почиње инокулацијом хранљиве подлоге која се налази у
биореактору. Након адаптације иницијалне количине чисте културе микроорганизама
(инокулума), долази до раста и размножавања ћелија и конверзије супстрата из хранљиве
подлоге у:
- биомасу, због чега се количина микроорганизама повећава и
- жељени производ, тј. Примарни или секундарни метаболит.
У оба случаја, брзина настајања биомасе и производа је функција концентрације и
биохемијске активности ћелија микроорганизама.
За успешно извођење микробиолошких процеса потребно је познавање брзине раста
микроорганизама у датим условима. Другим речима, потребно је да се зна како се
изабрани микроорганизам узгаја од лабораторијских до индустријских услова, као и да се
добију ћелије одговарајућег физиолошког стања за одвијање жељеног процеса. Мерењем
концентрације кључног (лимитирајуцег) супстрата и биомасе микроорганизма долази се
до основних кинетичких података о испитиваном биопроцес. Ако се током активности
ћелија лучи неки метаболит, који представља жељени производ, онда се у кинетичка
разматрања укључује брзина настајања производа. Најбржи раст се одвија у
експоненцијалној фази раста у којој се број ћелија удвостручава сталном брзином, док
постоји довољна количина лимитирајуцег супстрата (извора угљеника), а концентрације
отровних производа метаболизма не нарасту до вредности које успоравају или
онемогућавају раст.
4
Овако дефинисана једначина за раст микроорганизама је обично нелинеарног карактера,
па се при њеном решавању јављају слични проблеми као код ензимских реакција. Кад се
прати промена концентрације микроорганизама или броја ћелија са временом у
дисконтинуално биореактору, онда се добија крива раста, чији је типичан изглед приказан
на слици 03:14. Анализом криве раста, запажају се четири фазе, и то:
- лаг или фаза адаптације,
- експоненцијална фаза,
- стационарна фаза и
- фаза одумирања.
Лаг фаза је логичка последица шока који ћелије инокулума доживе кад се засеју на свежу
хранљиву подлогу, тако да је потребно да прође одређено време за њихову адаптацију.
Микроскопски посматрано, број и маса ћелија се не мењају, али се зато ћелија веома
интензивно припрема за деобу.
Почетком деобе ћелија, настаје експоненцијална фаза, тј. Повећање концентрације
биомасе се одиграва експоненцијално са временом. Брзина раста микроорганизама (r x) у
овој фази је највећа и дефинише се помоћу једначине:
5
Размножавање микроорганизама
Кад се постигне одређена физиолошки карактеристична маса ћелија (физиолошка
зрелост), долази до размножавања, тј. Повећања броја ћелија микроорганизма. Постоје
четири основна типа повећања броја ћелија током раста микроорганизама, и то:
- простом деобом (типични представници: бактерије),
- пупљењем (типични представници: квасци),
- издуживањем и гранањем (типични представници: плесни и актиномицете) и
– паразитско размножавање у живој ћелији друге врсте (типични представници: вируси).
Шема размножавања бактерија, квасаца и плесни је приказана на слици 03:15.
Размножавање бактерија
се може описати помоћу једначине првог реда. Раст
почиње повећањем масе ћелија, а када се удвоструче сви њени саставни елементи, долази
до цепања, тј. Деобе у две потпуно идентичне ћелије. Овако добијене ћелије се касније
независно деле, па је немогуће одредити старост ћелија. У овим случајевима кад се каже
да је нека култура млада или стара, онда се под тим подразумева време проведено на
косом агару, тресилици или биореактору, а не колико су поједине ћелије старе.
Генерационо време за бактерије у оптималним условима износи 20 до 60 минута.
