scan0062 2

68

Na rys. 7.4 przedstawiono zależności stężenia biomasy i substratu w reaktorze oraz produkcyjności od szybkości rozcieńczania.

Rys. 7.4. Zależności stężenia biomasy (X). substratu (S) i produkcyjności (DX) od szybkości

rozcieńczania w hodowli ciągłej

Dla małych szybkości rozcieńczania obserwuje się spadek stężenia biomasy wynikający ze zmniejszania wartości współczynnika wydajności biomasy względem substratu. Spowodowany jest on efektem tzw. przemiany podstawowej, tzn. zużywaniem przez komórki części energii na podtrzymanie funkcji życiowych. Im mniejsza właściwa szybkość wzrostu, tym większy udział energii zużywanej na przemianę podstawową, a zatem mniejsza jest ta część energii, która wykorzystywana jest na syntezę materiału komórkowego.

Przedstawiony opis ciągłej hodowli wyprowadzono przy założeniu mono-tonicznej zależności właściwej szybkości wzrostu od stężenia substratu limitującego wzrost. Obraz jest bardziej złożony w przypadku niemonotonicznej kinetyki wzrostu, np. hamującego działania wyższych stężeń substratu. Na rysunku 7.5 przedstawiono przykład takiej kinetyki. W obszarze niskich stężeń substratu występuje zwiększanie właściwej szybkości wzrostu ze wzrostem stężenia substratu. Po przekroczeniu pewnej wartości krytycznej dalsze zwiększanie stężenia substratu powoduje hamowanie wzrostu mikroorganizmów. Zgodnie z podstawowym bilansem dla hodowli ciągłej, właściwa szybkość wzrostu jest równa szybkości rozcieńczania (równanie (7.20)). Zatem dla ustalonej szybkości rozcieńczania możliwe są dwa nietrywialnie stany ustalone: jeden - odpowiadający wysokiemu stężeniu substratu, drugi — odpowiadający stężeniu niskiemu. Z tych dwóch stanów ustalonych ten odpowiadający niskim stężeniom substratu jest stanem stabilnym, drugi zaś niestabilnym. Rozpatrzmy układ znajdujący się w stanie ustalonym niestabilnym (tzn. odpowiadającym wysokim stężeniom substratu). Zakłócenie tego stanu, np. w wyniku chwilowego, nawet nieznacznego zwiększenia stężenia substratu, powoduje, iż właściwa szybkość wzrostu będzie mniejsza od szybkości rozcieńczania. Oznacza to, że szybkość usuwania drobnoustrojów z reaktora będzie większa od szybkości przyrostu populacji. Zatem nastąpi zmniejszenia stężenia biomasy w reaktorze, co spowoduje zmniejszenia szybkości zużywania substratu i wzrost stężenia substratu w reaktorze. To prowadzi do dalszego zmniejszenia szybkości wzrostu i w konsekwencji doprowadza do wymycia drobnoustrojów z reaktora. W przypadku stanu ustalonego, odpowiadającego niskiemu stężeniu substratu, wszelkie zakłócenia stanu równowagi (chwilowy wzrost lub zmniejszenie stężenia substratu) po pewnym czasie zanikają samorzutnie. Zwiększenie, dla przykładu, stężenia substratu powoduje zwiększenie właściwej szybkości wzrostu. Większa szybkość przyrostu biomasy prowadzi do zwiększenia stężenia biomasy w reaktorze, zwiększenia szybkości zużywania substratu i powrotu układu do stanu ustalonego.

Rys. 7.5. Hodowla ciągła w przypadku wzrostu hamowanego wysokimi stężeniami substratu

Hodowle ciągłe stosowane są w procesach, w których konieczna jest kontrola stężenia subsnatu, zwłaszcza gdy wysokie stężenia substratu działają hamująco na przebieg przemian. Należy podkreślić, iż w hodowli ciągłej preferowane są komórki szybko rosnące. Proces len jest zatem odpowiedni dla otrzymywania biomasy oraz metabolitósv pierwotnych. Zwykle szczepy producentów metabolitów wtórnych i pośrednich odznaczają się co najwyżej przeciętnymi szybkościami wzrostu i w hodowlach ciągłych są wypierane przez mutanty o mniejszej produkcyjności, ale za to szybciej rosnące.

W reaktorach z idealnym wymieszaniem stężenie substratów i produktów przemian jest równe ich stężeniu w strumieniu opuszczającym aparat, tzn. końcowemu stężeniu przemiany. Oznacza to, żc w hodowlach ciągłych mikroorganizmy rosną w środowisku o najwyższym stężeniu produktów metabolizmu. Cecha ta jest niekorzystna w tych przypadkach, gdy produkt działa hamująco na wzrost komórek (np. fermentacja etanolowa, fermentacja buta-nolowo-acetonowa). Dla porównania, w hodowlach okresowych stężenie produktu zwiększa się stopniowo wraz z przyrostem biomasy, zatem warunki wzrostu, gdy występuje hamowanie produktem, są korzystniejsze.

Niektóre rozwiązania umożliwiające efektywne prowadzenie ciągłej hodowli mimo hamowania wzrostu produktami metabolizmu przedstawiono w rozdziale 7.4.3.