Критерии оценки эффективности процессов

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 = m X

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=q_SY_P/SX[ г / л • час ], где q_S - скорость потребления субстрата (метаболический коэффици­ент), Y_P/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

So - 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:

Y _й

h _ экспериментальный £ 1

_ Y _й ^£.

теоретический

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.