Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из направлений развития научно-технического прогресса является переход от химической технологии к биотехнологии, позволяющей получать известные вещества и материалы, отличающиеся высоким качеством и низкой себестоимостью, а также синтезировать новые продукты. Одним из примеров этому служит производство L-глутаминовой кислоты. Данная аминокислота производилась методом экстракции из морских водорослей, и открытие микроорганизмов, способных продуцировать глутаминовую кислоту, дало возможность осуществления более экономически выгодного микробиологического способа ее производства.
На протяжении последних 50-ти лет особый интерес вызывает микробиологическое производство L-глутаминовой кислоты под влиянием стрессовых воздействий, например, недостатка биотина в культуральной среде, добавления поверхностно-активных веществ, антибиотиков, воздействия теплового шока. Влияние каждого из перечисленных факторов приводит к увеличению проницаемости оболочки бактерий и изменению метаболизма клеток таким образом, что поток углеродсодержащего субстрата направляется на синтез L-глутаминовой кислоты.
Наиболее интересно производство L-глутаминовой кислоты коринеформными бактериями под действием теплового шока, так как этот способ при определенных условиях обеспечивает наиболее высокие продуктивности. Особое значение приобретают вопросы выявления закономерностей изменения концентраций биомассы, субстрата и продукта ферментации до и после теплового шока. Исследование вопросов стабильности штамма микроорганизмов под воздействием теплового шока позволит повысить выход L-глутаминовой кислоты в процессе ферментации.
Производство L-глутаминовой кислоты во всем мире достигает приблизительно 1,5 млн. тонн, и оно ежегодно увеличивается, поэтому актуальным является не только исследование процесса получения данной кислоты в условиях теплового шока, но и разработка подходов к моделированию термоиндуцированного процесса. Математическое моделирование не только ускорит решение задачи проектирования новых производств, но и позволит оптимизировать работу действующих установок.
Работа выполнена в рамках совместной российско-французской кандидатской диссертации* (грант Посольства Франции в Москве).
*Особая благодарность выражается проф. Н.В. Меныпутиной (РХТУ им. Д.И. Менделеева) и проф. Ж.-Л. Горжену (Национальный политехнический институт Лотарингии (г. Нанси, Франция)).
Цель работы заключалась в выявлении механизма получения L-глутаминовой кислоты микроорганизмами Corynebacterium glutamicum 2262 методом теплового шока и в моделировании данного процесса производства. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
проведение периодического, периодического с подпиткой субстратом и непрерывного термоиндуцированных процессов получения L-глутаминовой кислоты микроорганизмами C.glutamicum 2262;
проведение периодического процесса культивирования C.glutamicum 2262 в отсутствие теплового шока с целью сравнения поведения клеток до и после стрессового воздействия;
определение размеров клеток до и после теплового шока при разных режимах ферментации, а также установление процентного соотношения между клетками разного размера для микроорганизмов в состоянии стресса;
разработка математической модели периодического, периодического с подпиткой и непрерывного термоиндуцированных процессов получения L-глутаминовой кислоты;
разработка программного обеспечения для расчета
термоиндуцированного процесса производства L-глутаминовой кислоты.
Научная новизна.
Проведен системный анализ термоиндуцированных процессов производства L-глутаминовой кислоты микроорганизмами C.glutamicum 2262 при различных режимах работы (периодического, периодического с подпиткой субстратом и непрерывного), на основании которого показана целесообразность проведения периодического процесса с подпиткой.
Проведено изучение процесса изменения размера клеток C.glutamicum 2262 под действием теплового шока от 33 до 39С.
Предложен механизм получения L-глутаминовой кислоты методом теплового шока. Показано, что причиной производства L-глутаминовой кислоты является появление клеток меньшего размера, которые являются ее производителями.
Впервые разработана математическая модель микробиологического процесса производства L-глутаминовой кислоты в условиях теплового шока. Разработанная модель была адаптирована для моделирования всех проведенных процессов культивирования: периодического, периодического с подпиткой и непрерывного.
Практическая ценность.
Разработано программное обеспечение для моделирования периодического, периодического с подпиткой и непрерывного термоиндуцированных процессов производства L-глутаминовой кислоты микроорганизмами C.glutamicum 2262. Программное обеспечение позволяет на основе известной кинетики определять основные параметры и условия ведения процессов культивирования C.glutamicum 2262 в условиях теплового шока, а
также проводить идентификацию кинетических параметров модели. Программное обеспечение передано в Национальный политехнический институт Лотарингии (Франция).
Разработанное программное обеспечение может быть адаптировано для моделирования различных микробиологических процессов, протекающих при стрессовых воздействиях и отличающихся наличием морфологических изменений клеток.
На примере непрерывного процесса ферментации в условиях теплового шока показано, что спустя приблизительно 180 ч после начала теплового шока в культуральной среде превалируют клетки, отличающиеся термоустойчивостью и неспособностью производить L-глутаминовую кислоту, что является неэффективным в условиях промышленного производства.
Проведено более 50 ферментации в колбах Эрленмейера и реакторах периодического действия и периодического с подпиткой с целью подтверждения полученных результатов.
Переход от периодического режима ферментации к периодическому с подпиткой субстратом, протекающих в условиях теплового шока, позволяет увеличить производительность по L-глутаминовой кислоте от 0.85 до 3.54 г/л-ч.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии <МКХТ-2002>, Москва, 2002; XV и XVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Тамбов (2002) и Санкт-Петербург (2003); 15th, 16th, 17th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA, Prague, Czech Republic, 2002, 2004 и 2006; 1-ом и 2-ом Международном Конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития», Москва, 2002 и 2005; 7-ой Пущинской школе-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", Пущино, 2003; 7 International Scientific -Technical Conference Process "Process Control", Pardubice, Czech Republic, 2006; Seminaire de l'Ecole Doctorale, Sciences et Ingenierie des Ressources, Procedes, Produits et Environnement, Nancy, France, 2006.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на ... страницах машинописного текста, содержит ... рисунков, ... таблиц. Список литературы содержит ... наименований.
