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 70оС.
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 lkτ
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 τ2.
Тогда:
Продолжительность регенерации τр, 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 = Vpa
где Vp - рабочий объем ферментатора, м3;
а – удельная площадь поверхности массоотдачи, м2/м3.
Тогда уравнение (2) примет вид:
или
где βжV - объемный коэффициент массоотдачи, г-1.
ΒжV = βжа
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:
