Критерии оценки эффективности процессов

24 Декабря в 22:03 1925 0


В любом биотехнологическом процессе ключевую роль играет биологический агент, его природа и физиолого-технологические свойства. Для любого биообъекта нужен исходный жизнеспособный посевной материал, источники энергии и углерода, питательные вещества для синтеза биомассы, отсутствие действия ингибиторов роста, соответствующие физико-химические условия ферментации (рН, температура, аэрация и др.). Одним из основных показателей, характеризующих адекватность условий ферментации, служит скорость роста продуцента.

Скорость роста (увеличения биомассы) организмов с бинарным делением в хорошо перемешиваемой среде в периодической культуре будет пропорциональна концентрации микробной биомассы:
dX/dt = mX
где dX/dt - скорость роста, X - концентрация биомассы, m - коэффициент пропорциональности («удельная скорость роста»); параметр аналогичен сложным процентам (например, если удельная скорость роста равна 0.1 ч-1, значит, увеличение биомассы равно 10 % в час). Если величина m постоянна, как это бывает в установившемся режиме культивирования, то интегрирование представленного уравнения имеет вид
1пХ = 1пХо +m t,
где X0 — биомасса в начальный период времени t.

График зависимости 1пХ0 от времени будет иметь вид прямой линии с наклоном m. Удельная скорость роста является одним из основных параметров, характеризующих физиологическое состояние продуцента; ряд других параметров может быть выражен через этот показатель.

Продуктивность процесса характеризуется количеством продукта, получаемого на единицу объема биореактора в единицу времени. Продуктивность процесса зависит от многих факторов: активности продуцента, значений коэффициента выхода продукта из потребительного субстрата, количества активной биомассы в ферментаторе:
П=qsYp/sX[г/л-час],
где qs - скорость потребления субстрата (метаболический коэффициент), YP/S - выход продукта (экономический коэффициент), X - концентрация биомассы, Р - продукт, S - субстрат.

Влиять на величину продуктивности можно в результате изменения различных ее составляющих, но в каждом конкретном случае это приходится рассматривать отдельно. Так, при повышении величины X могут возникнуть ограничения по массообменным характеристикам и лимитирующие состояния; влиять на величину метаболического коэффициента культуры возможно только при условии глубокого значения взаимосвязей между физиолого-биохимическими характеристиками продуцента и условиями среды.



Выход продукта (Y) (экономический коэффициент ) определяется как количество продукта, получаемого из данного количества субстрата:
Y = X/(S0-S)
где S и S0 — конечная и исходная концентрация субстрата. Данный коэффициент выражает эффективность использования субстрата для получения целевого продукта и является очень важной характеристикой, так как непосредственно связан с продуктивностью и позволяет влиять на себестоимость конечного продукта.

Экономический коэффициент имеет четкий физический смысл, характеризующий степень перехода энергии, заключенной в субстрате, в продукт. Данная величина для расчетов и прогнозирования процесса в целом используется в качестве параметра для контроля и управления ходом различных процессов и сопоставления их эффективности.

Конечная концентрация продукта должна планироваться с учетом продолжительности процесса и величины выхода продукта. Достижение конечной высокой концентрации продукта оправдано, когда трудоемки и дорогостоящи этапы постферментационной стадии (выделение, концентрирование).

Удельные энергозатраты существенно варьируют в зависимости от направленности и схемы процесса ферментации, а также условий подготовки сырья на предферментационной стадии и от постферментационных процедур. Удельные энергозатраты очень существенно также зависят от типа ферментационного оборудования.

Непродуктивные затраты субстрата (h) - затраты энергии субстрата, которые не проявляются в приросте продукта. В общем виде они выражаются через экономический коэффициент:
экономический коэффициент
Непродуктивные затраты существенно влияют на эффективность и экономику биотехнологического процесса, поэтому выявление причин и мест дополнительных трат энергетического субстрата очень важно. Непродуктивные затраты субстрата могут быть связаны с ошибками при считывании генетической информации в ходе быстрого роста продуцента и из-за возрастания трат энергии на поддержание жизни без размножения (транспорт субстратов и мономеров в клетке, защитные реакции, процессы репарации).

Первичная оценка эффективности биотехнологических процессов по перечисленным параметрам проводится на стадии лабораторных разработок и испытаний процесса и далее уточняется при масштабировании на опытных и опытно-промышленных стадиях.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы