Теоретические основы конверсии растительного сырья
Классификация растительного сырья по происхождению и составу. Строение растительной клетки, основные виды растительных клеток и тканей. Химический состав растительного сырья. Особенности хранения растительного сырья. Теория конверсии растительного сырья.
Рубрика | Биология и естествознание |
Вид | краткое изложение |
Язык | русский |
Дата добавления | 24.02.2014 |
Размер файла | 527,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Теоретические основы конверсии растительного сырья
Классификация сырья.
Классификация сырья применяемого в биотехнологических процессах по происхождению.
1. Сырьё растительного происхождения (меласса, опилки).
2. Сырьё животного происхождения (молоко).
3. Сырьё минерального происхождения (природный газ, нефть).
4. Элементы биосферы (вода и воздух).
Классификация растительного сырья по происхождению.\
1. Древесное сырьё (различные отходы лесозаготовки, лесопиления и деревообработки).
2. Сельскохозяйственное и пищевое сырьё (плодоовощная продукция и отходы от её переработки жом -- остатки от получения масса путём прессования, шр что то там -- остатки после прессования, жмых -- остатки после прессования ягод, фруктов, овощей шелуха -- верхний слой, костра -- остаток от сучьев после выделения прядильных культур; зерно, картофель и продукты их переработки; травы и кустарники; целевые продукты некоторых пищевых производств: сахар, кукурузная мука, кукурузный крахмал).
3. Не древесное сырьё (искусственно выращенные водоросли, малоразложившийся торф, тростник).
4. Вторичное сырьё промышленных предприятий (в твёрдом агрегатном состоянии -- отходы текстильных производств(прядильные культуры), макулатура, отходы бумагопроизводства, бумажные типографические отходы).
5. Отходы и сточные воды пищевой, целлюлознобумажной и микробиологической промышленности, городские отходы.
Классификация растительного сырья по химическому составу.
Классификация производится по основному углеводу.
1. Сахарсодержащее сырьё (ССС). Основной углевод -- сахароза. Представители: сахарная свёкла, меласса, рафинадная патока.
2. Крахмалсодержащее сырьё (КСС).
3. Целлюлозасодержащее сырьё. Основной углевод -- целлюлоза Представители: древесина хвойных пород, хлопок, лён, рами, джут, макулатура, отходы текстильной промышленности.
4. Пентозансодержащее сырьё (ПСС). Примеры: древесина лиственных пород, одубина (отход после получения экстракта дубильных веществ), плодоовощная продукция и отходы от её переработки, травы и кустарники, малоразолжившийся торф.
Строение растительной клетки
Строение растиельной клетки:
• протопласт;
• оболочка;
• вакуоли с клеточным соком.
Вакуоль содержит компоненты клетки. В состав протопласта входят ядро (нуклеопротеидный комплекс)(ядерная оболочка, нуклеоплазма, хроматин и ядрышко) и цитоплазма(цитозоль и органеллы).
По наличию оболочки и её составу растительная клетка отличается от всех других типов клеток.
Выделяются три части оболочки : первичная, вторичная, третичная. У молодой клетки есть только первичная и вторичная оболочки. При отмирании протопласта образуется третья часть оболочки.
Основные типы растительных клеток.
1. Паренхимные клетки. Эти клетки изодиаметричны(их размеры в трёх измерениях почти одинаковы).
2. Прозенхимные клетки. Это длинные клетки. Их длина значительно превышает два остальных геометрических параметра.
Основные анатомические элементы растительных тканей.
1. Сосуды. Представляют собой трубки, которые образовались в результате растворения разделяющих перегородок между последовательно соединёнными короткими клетками.
2. Трахеиды. Представляют собой вытянутые веретенообразные (заострённые по концам) клетки. Они обладат проводящими и механическими функциями.
3. Либриформ. Представляют из себя клетки с утолщённой клеточной оболочкой. Выполняют механические функции.
4. Паренхима. Представляют из себя группу клеток выполняющих однотипную функцию. Чаще всего клетки представляют из себя клетки в виде сот. Примером является зелёная паренхима (клетки в которых идёт фотосинтез).
Основные виды растительных тканей.
Растительная ткань -- это группа клеток сходных по строению, соединённых между собой межклеточным веществом и выполняющих одинаковую функцию.
1. Меристемы (меристематические ткани)(образовательные ткани). Является единственной растительной тканью способной к размножению. Выделяют два вида меристем: верхушечные и боковые. Верхушечные меристемы (камбий) отвечают за рост растения в высоту. Боковые меристемы отвечают за рост растения в ширину.
2. Покровные ткани: эпидермис, пробка и кора. Эпидермис -- самый тонкий слой покровных тканей, состоит из живых растительных клеток. Остальные два слоя состоят из мёртвых растительных клеток.
3. Механические ткани. Состоят в основном из мёртвых клеток с утолщёнными оболочками. Являются опрой различных элементов растения.
4. Проводящая ткань. Проводят растворы минеральных и органических вещест. При этом для проведения раствора минеральных веществ используются мёртвые клетки. Для проведения органических веществ используются живые клетки. Минеральный транспорт осуществляется в основном сосуды (хвойные породы) и трахеиды (лиственные). В основном для транспорта органических веществ используются клетки перенхими, например ситовидные трубки.
5. Запасающая ткань. Служат для хранения запасных веществ. Являются живыми клетками так, как участвуют в метаболизме веществ.
6. Ассимиляционные ткани. Ткани с активными метаболическими процессами (например зелёная паренхима).
7. Выделительные ткани.
Химический состав растительного сырья.
В химическом составе растительно сырья выделяют следующие тра основные группы веществ.
1. Полисахариды.
1. Полисахариды делятся на легко (ЛГ ПС) - и трудногидролизуемые (ТГ ПС). ЛГ ПС можно гидролизовать слабым раствором кислоты (2% HCl, кипятить 4-5 часов). Анализ будем проводить исходя из предположения, что РВ=МС, но по факту, в состав редуцирующих веществ входят все альдегиды и кетоны. Редуцирующей является альдегидная или кетонная группа.
Трудногидролизуемые полисахариды гидролизуются в концентрированной серной кислоте ( конц, 2 -- 3 часа при комнатной температуре, получаются олигосахара. После этого разбавляются водой и кипятятся при температуре 3 -- 5 часов). Гемицелюлоза является легкогидролизуемой, но определятся может как трудногидролизуемая так.
2. Глюкозаны, пентазаны, смешанного состава.
3. ГомоПС и гетеро ПС.
2. Лигнин. В среднем содержание 15 -- 35%. Может быть близким к нули или к 40%. Это сложный полимер не являющийся полисахаридом.
3. Все остальные вещества. В первую очередь сюда относятся экстрактивные вещества. Липиды, белки, зольные элементы, моносахара, дисахара и олигосахара. Кетоны, альдегиды, эфиры, органические кислоты, таниды, дубильные вещества.
Легкогидролизуемые полисахариды растительного сырья.
1. Крахмал. сырье растительный клетка конверсия
Крахмал представляет собой смесь двух гомологов: амилозы(10-20%) и амилопектина(80-90%). Амилоза -- это линейный гомолог. Амилопектин -- разветвлённый гомолог. Мономерами крахмала являются звенья D-глюкопиранозы (глюкозы).
Амилоза - -связь. Амилопектин -связи в линии и связь в местах ветвления.
Физические свойства.
Крахмал -- это аморфное вещество, плохо растворяется в воде (в холодной не растворяется, в горячей сначала набухает, потом постепенно растворяется). При быстром нагревании, из за содержащейся влаги, происходит гидролитическое расщепление молекул крахмала до декстринов. Растворение крахмала происходит посредством декстринизации. Крахмал является запасающим полисахаридом растений, запасается в семенах, клубнях, иногда в корнях. Молекула амилозы имеет вид спирали, во внутреннем жолобе могут задерживаться молекулы других веществ, например йода с образованием соединений включения. Крахмал в живых организмах гидролизуется за счёт действия амилаз. Степень полимеризации амилозы от 600 до 6000 остатков глюкозы. У амилопектина до 10000. Разветвления идут каждые 20 -- 25 остатков глюкозы.
2. Гемицеллюлозы.
Гемицеллюлозы -- это группа полисахаридов входящих в состав клеточной стенки растений. От целлюлозы они отлчаются по химическому строению набором моносахаридов входящих в их состав. И более низкой молекулярной массой. Степень полимеризации гемицеллюлоз ниже, чем у целлюлоз (обычно от 50 до 500, а у целлюлозы от нескольких 1000 до десятков 10000).
По химическим свойствам: легче гидролизуются в растворах минеральных кислот, лучше растворяются в щёлочах (чем целлюлозы), нерастворимы в воде и нейтральных растворителях. Также гемицеллюлозы могут служить резервными полисахаридами. Гемицеллюлозы, обычно, извлекают щёлочными растворами из нативного растительного сырья или экстрагируют диметилсульфаксидом из холоцеллюлозы. Холоцеллюлоза -- это полисахаридный комплекс растительного сырья остающийся после удаления лигнина.
Деление гемицеллюлоз по химическому составу:
• пентозаны: ксилан, арабинан, арабиноксилан;
• гексозаны: маннан, галактан, глюкоманнан;
• гемицеллюлозы смешанного состава: (обычно к ним относят полисахариды, в состав которых входят уровновые кислоты (производные сахаров, в которых вместо альдегидной или кетоновой группы находится карбоксильная группа, в природе распространены глюкуроновая кислта и галактуроновая кислота; часть карбоксильных групп в уроновых кислотах может быть метоксилирована или ацетилирована(остаток этилового спирта)) глюкоксилан, глюкоураноксилан(количество уроновых кислот может достигать 2%.
Древесина хвойных и лиственных пород отличается по составу гемицеллюлоз. В древесине хвойных пород преобладают гексозаны (чаще всего глюкоманнаны и галктоглюкоманнаны), в древесине лиственных пород преобладают пентозаны.
3. Пектиновые вещества.
Пектиновые вещества -- это высокомолекулярные полисахариды являющиеся производными полигалакутроновой кислоты. Кроме галактуроновой кислоты в состав пектиновых веществ входят нейтральные сахара например: манноза, галактоза, рамноза, ксилоза, арабиноза и т. д. Пектиновые вещества бывают растворимыми (при этом они присутствуют в клеточном соке растений) и нерастворимыми (входят в состав срединных пластинок). За счёт наличия пектиновых веществ, клетки растений способны удерживать влагу. Пектиновые вещества обеспечивают такое явленгие как Тургур (влагостойкость). Качество и количество пектиновых веществ влияет на состанность плодов и корнеплодов. Живые организмы гидролизуют пектиновые вещества за счёт дейсвия пектиназ (пектолитических ферментов). Пектолитические ферменты используются в промышленности для осветления соков и вин. Пектиновые вещества выделенные из растений в виде препарата, используемого в лабораторной практике или на производстве, называются пектином. В качестве сырья для получения пектина используют яблочные выжимки, корки цитрусовых, корзинки подсолнечника, жом сахарной свёклы, кормовой арбуз.
Трудногидролизуемые полисахариды.
Целлюлоза. Состоит из остатков глюкопиранозы соединённых связями. Молекула глюкозы неразветвлённая и имеет высокую степень полимеризации от нескольких 1000 до 20000. Целлюлоза -- это глюкан. В гемицеллюлозах присутствует также или связи.
Практически чистой целлюлозой является хлопковый пух, который содержит до 98% целлюлозы. Промышленными источниками целлюлозы служат древесина и хлопок. Источником целлюлозы для бумаги высокого качества является бамбук.
Поэтому в молекулярных агрегатах целлюлозы встречаются участки с высокоупорядоченной кристаллической структурой и участки аморфного характера. Между этими участками нет фазовых переходов, поэтому продукты из целлюлозы не однородны. Упорядоченность молекул целлюлозы влияет на её реакционную способность и на механические свойства.
Целлюлоза не растворяется в воде, но может растворяться в аммиачном растворе меди (реактив Швейцара), слабо гидролизуется разбавленными кислотами, может растворяться в щёлочах при нагревании. Гидролизуется концентрированными кислотами при комнатной температуре. Исходя из химического строения молекулы целлюлозы (многоатомный спирт), можно судить о её возможных химических превращениях.
1. Образование простых и сложных эфиров (реакции этерификации).
2. Разрушение гликозидных связей (распад молекулы целлюлозы на остатки с меньшей молекулярной массой). Может происходить в результате гидролиза кислотами под действием окислителей, алкоголиза (воздействие спиртов в присутствии спиртов), кетолиза, при воздействии ферментов, при нагревании в щёлочах и т. д. Растворы солей при нагревании могут гидролизовать целлюлозу.
Лигнин.
Лигнин -- это сложное полимерное соединение мономерами которого являются конифериловый, синаповый и пара-кумаровый спирты.
Конифериловый спирт рисунок
синаповый спирт рисунок
а-кумаровый рисунок.
Конифериловый спирт является основным.
Лигнин образуется в процессе жизнедеятельности клетки, после чего уже не участвует в метаболизме, и откладывается в клеточной оболочке. Считается, что накопление лигнина может быть связано с прекращением жизнедеятельности клетки и её одревеснением. Биосинтез лигнина, до конца не изучен. Считается, что его предшественником является шикимовая кислота, как и для остальных ароматических соединений, а процесс биосинтеза включает в себя следующие основные стадии: шикимовая кислота фенилаланин коричная кислота феруловая кислота конифериловый спирт лигнин.
Наличие лигнина в клеточной стенке придаёт клетке гидрофобность, делает её стойкой к действию микроорганизмов.
Свойства лигнина зависят от способа его выделения и в меньшей степени в породе древесины. В среднем в древесине содержится 20-30% лигнина.
В результате кислотного гидролиза образуется гидролизный лигнин.
На данный момент гидролизный лигнин применяют для получения лигнинового угля, активного угля, при производстве пористого кирпича и для выработки нитролигнина.
На целлюлозно бумажном производстве получается сульфатный лигнин. Может применяться как усилитель синтетического каучука, в качестве пластификатора в керамическом производстве, как добавка к шихте при производстве цемента (получается в виде цемента).
Лигносульфоновые кислоты получаются также при производстве целлюлозы (получаются в виде раствора). Их используют как дешёвые крепители и смесители в литейном произвосдтве. Также как добавка к шихте.
Лигнин -- аморфное вещество жёлто -- коричневого цвета. Нерастворим в воде и органических растворителях. Растворяется в щёлочах ( это свойство используют для его отделения от полисахаридов. Окрашивается основыми красителями, даёт цветные реакции характерные для фенолов.
Экстрактивные вещества.
В зависимости от метода выделения, экстрактивные вещества условно делят на три группы.
1. Эфирные масла. Сюда относятся вещества отгоняемые водяным паром (все они легколетучие): терпены, фенолы, альдегиды, кетоны, простые эфиры, лактоны и т. д.
2. Древесные смолы. Сюда относятся вещества извлекаемые органическими растворителями (эфиром, бензином, ацетоном, гексаном, спиртами и т. д.): смоляные кислоты, эфиры органических кислот, стерины, воски, жиры, жирорастворимые витамины.
3. Водорастворимые вещества. Сюда относятся вещества извлекаемые водой: моно - и олигосахара, белки (в т. ч. ферменты), таниды, дубильные вещества, фенольные соединения и т. д. Также к водорастворимым экстрактивным веществам относят зольные элементы. При гидролизе растительного сырья, водорастворимые экстрактивные вещества переходят в гидролизат.
В среденм содержатся в сырье в количестве 5-10%.
Особенности химического строения храхмалосодержащего сырья.
В основном это продукты переработки зерновых культур.
1. Сухие вещества.
1. Органические вещества.
1. Углеводы
1. Моносахариды и олигосахариды 2,5-5%.
2. Крахмал 24 -- 83%.
3. Некрахмальные полисахариды (НПС.
1. Целлюлоза
2. Гемицеллюлоза
3. Пектиновые вещества
2. Сырой (не очищенный) жир 1,5 -- 5,5%
3. БАВ.
4. Азотистые вещества.
1. Белки 5-26%.
2. небелковые азотсодержащие вещества примерно 2%.
2. Неорганические вещества (зола) -- 1,3 -- 6,0%.
2. Вода.
Большое содержание крахмала, большое содержание белков -- это особенности химического строения зерносырья.
Картофель относится к влажному крахмалсодержащему сырью так, как содержит около 75% влаги. Кроме этого содержит крахмал 17%, простые сахара до 1%, гемицелюлоза и пектиновые вещества около 1,5%, целлюлозу около 1%, азотистые вещества около 2%, органические кислоты (типо лимонной, щавелевой, яблочной около 0,5%, жир до 0,1%, минеральные вещества около 1%. ph картофельного сока слабокислый. В молодом картофеле содержится витамин С. В оболочке клубней и в ростках содержатся ядовитые алколоиды.
Особенности химического строения сахаросодержащего сырья.
Рассмотрим состав сахарноё свёклы и свекловичной мелассы.
Состав клубней свёклы: вода 75%, сахароза 17%, целюлоза 1 -- 1,5% гемицеллюлоза 1%, пектиновые вещества 2,5%, органические кислты 1,5%, сырой протеин (азотистые вещества) 1,5%, жир до 0,1, минеральные вещества от 0,6 до 6% (в зависимости от состава почвы)Среди фосфатов преобладают фосфат и гидрофосфат калия. Сок сахарной свёклы слабокислый.
Состав свекловичной мелассы: сухие вещества 75-82%, влага 17-25%, сахароза 45 -- 50%, сахароза 45 -- 50%, инвертный сахар до 2%, рафиноза (нередуцирующий трисахарид) 2-3%, минеральные вещества около 8,5%. Доброкачественность мелассы составляет 57-62%. Доброкачественность -- это содержание сахара в 100 гр. Абсолютно сухих веществ.
Особенности химического строения целлюлозы и пентозан содержащего сырья.
Сырьё |
ЛГПС,% |
ТГПС,% |
Лигнин,% |
Зольные в-ва,% |
|
Древесина хвойных пород |
15-25 |
25-50 |
20-30 |
0,2-0,5 |
|
Древесина лиственных пород |
20-27 |
40-45 |
20-22 |
0,3-0,5 |
|
солома |
18-27 |
29-41 |
5-28 |
2,0-31 |
|
лузга |
18-38 |
27-29 |
10-28 |
3,0-18 |
|
Хлопковый линт |
~5,0 |
~89 |
0 |
~6,0 |
|
Хлопоковая шелуха |
~26,5 |
~41,5 |
~28,5 |
3,0-3,5 |
Целлюлозосодержащиее и пентозансодержащее сырьё отличаются от крахмалсодержащего сырья повышенным содержанием целлюлозы, а так же в бльшинстве случаев гемицеллюлозы и лигнина. Между собой целлюлоза и пентозансодержащее сырьё отличаются по составу гемицеллюлоз: в целлюлозосодержащем сырье они представлены в основном гексазанами, в пентозансодержащем -- пентозанами.
Хранение растительного сырья.
Зёрна злаков, клубни картофеля, сахарной свёклы являются живыми организмами. Их жизнедеятельность проявляется в дыхании. Суть дыхания в том, что глюкоза окисляется кислородом с выделением воды и углекислого газа.
Глюкоза образуется при гидролизе запасных углеводов накопленных растительным сырьём. Тоесть для картофеля или зерна это крахмал, для сахарной свёклы -- сахароза.
Интенсивность дыхания выражается числом мг углекислого газа выделенного одним килограммом плодов в час. Интенсивность дыхания зависит от многих факторов например:
• вид и сорт растительного организма;
• зрелость плодов;
• наличие повреждений;
• условия внешней среды при хранении;
• состояние покоя.
Оптимальной температурой хранения для свеклы является 1,3 градуса, для картофеля 3,5 градуса, для зерна не выше 22 градусов. Оптимальной влажностью является 10 -- 12%.
В процессе дыхания расходуются углеводы. Так, как растительное сырьё используется в биотехнологии в основном как источник углеводов, то интенсивное дыхание при хранении сырья нежелательно. Соответственно, необходимо создавать условия для снижения интенсивности дыхания. Порча растительного сырья возможна в результате микробиологических прцоессов (гниение, брожение, плесневение и т. д.). В результате роста микроорганизмов происходит не только потеря углеводов, но и заражение сырья продуктами метаболизма данных микроорганизмов. Для предотвращения микробного заражения необходимо учитывать факторы влияющие на его возможность.
1. Наличие повреждений.
2. Условия хранения.
Теория конверсии растительного сырья.
Механизм и кинетика гидролиза полисахаридо растительного сырья при одноступенчатом гидролизе разбавленными кислотами.
При кислотном гидролизе полисахаридов происходит разрыв гликозидных связей с присоединением молекулы воды по месту разрыва. В результате образуются сначала олигосахара, а затем моносахара.
ПСОСМС
В растворе кислоты диссоциируют с образованием протона.
Протон взаимодействует с молекулой воды с образованием иона гидроксония.
При гидролизе полисахаридов в присутствии разбавленных кислот происходит протонирование ионом гидроксония гликозидной связи макромолекулы полисахарида с образованием оксониевого макроиона, который является неустойчивым так, как кислород гликозидной связи переходит в четырёхвалентное состояние. Поэтому данный ион расщепляется с образованием двух фрагментов макромолекулы полисахарида и высвобождением протона водорода.
ПС+=nМС
(Equation 1)
x - количество полисахаридов подвергшихся гидролизу.
a - начальное количество полисахаридов.
- константа скорости гидролиза полисахарида.
Пока примем количество гидролизованного полисахарида пропорциональным количеству полученного моносахарида.
(Equation 2)
Влияние различных факторов на величину константы скорости гидролиза полисахаридов.
(Equation 3)
- относительная каталитическая активность катализатора (в данном случае кислоты). Эта характеристика связана со степенью диссоциации. Чем выше степень диссоциации, тем выше . Для соляной кислоты =1. Для остальных кислот меньше 1.
N - нормальность катализатора (нормальная концентрация).
- относительный коэффициент устойчивости ПС к гидролизу, тоесть он характеризует прочность гликозидных связей. Для самого трудногидролизуемого полисахарида =1, таковы является хлопковая гидратцеллюлоза. Для других полисахаридов >1.
- относительный коэффициент учитывающий влияние температуры реакции.
Влияние температуры рассматривается через два основных показателя. Первый -- это энергия активации. Энергеия активации -- это избыток свободной энергии необходимый молекуле для прохождения реакции. При разной температуре энергия активации различна. Второй показатель -- температурный коэффициент . Он показывает, как изменяется константа скорости гидролиза полисахарида при увеличении температуры на 10 градусов.
Условия гидролиза соответствуют условиям гомогенных реакций, но реакция гидролиза растительного сырья является гетерогенной, но при этом и гидролиз в гетерогенных условиях удовлетворяет уравнениям реакций первого порядка. На скорость реакции в гетерогенных условиях будет влиять гранулометрический состав сырья.
На скорость гидролиза влияет начальная концентрация полисахариа.
Механизм и кинетика распада моносахаров.
При гидролизе растительного сырья было замечено, что редудцирующая способность гидролизата при его длительном нагервании уменьшалась это свидетельствовало о постепенном разрушении моносахаров. Механизм распада моносахаров ещё не до конца изучен, но реакции распада условно записываются, как реакции дегидратации. Также считается, что распад моносахаров идёт через образование малоустойчивых оксониевых соеднинений (оно образуется между ионом гидроксония и гидроксильными группами моносахаров. Пентоза распадается с образованием фурфурола.
фурфуролмуравьиная кислота + гуминовые вещества
При распаде гексоз образуется оксиметилфурфурол.
Оксиметилфурфуролмуравьинная кислота + левулиновая кислота + гуминовые вещества.
Уроновые кислоты распадаются с образованием моносахаров и углекислого газа. При этом в основном в растительном сырье содержатся глюкоуроновая и галактуроновая кислоты. При распаде глюкуроновой и галактуроновой кислот образуются пентозы и углекислый газ.
(Equation 4)
(Equation 5)
y - количествомоносахаров подвергшихся распаду;
b -- начальное количество полисахаров;
- константа скорости распада.
Влияние различных факторов на константу скорости распада.
(Equation 6)
-- относительный коэффициент устойчивости моносахаров к распаду. Для самого устойчивого (глюкозы) =1, для остальных >1.
С увеличением температуры для глюкозы уменьшается, для пентоз остаётся постоянным. Энергия активации с увеличением температуры для глюкозы уменьшается, для гекосоз увеличивается.
Теория перколяционного гидролиза.
Перколяция представляет собой непрерывную фильтрацию раствора кислоты через растительный материал с непрерывным отбором гидролизата, при этом раствор кислоты служит не только катализатором, но и экстрагентом моносахаридов, которые в результате непрерывно выводятся из зоны реакции.
Кинетика перколяционного гидролиза.
(Equation 1)
z - реальный выход сахара.
M - переводной коэффициент из полисахарида в моносахара.
Это уравнение не учитывает потери сахара в результате распада, поэтому оно справедливо только при большой скорости перколяции. В результате перколяции с высокой скоростью образуется большое количиество гидролизата с низкой концентрацией моносахаров.
Поэтому для увеличения концентрации сахара в гидролизате необходимо уменьшить скорость перколяции. В результате увеличивается время моносахаров в зоне реакции, следовательно пвышается количество разложившегося сахара. При этом его количество будет определяться уравнением:
(Equation 2)
y - количество разложившегося сахара;
b - количество разложившегося сахара;
- количество разложившихся моносахаров.
Тогда с учётом потери моносахаров в результате распада, реальный выход сахара будет определяться следующим уравнением:
(Equation 3)
Определение времени гидролиза полисахаридов и времени распада моносахаров при перколяционном гидролизе.
Время гидролиза при единичном протоке кислоты сквозь аппарат определяется по формуле:
Q - запас кислоты в гидролиз аппарате;
v - скорость перколяции.
/
Факторы, влияющие на реальный выход сахара при преколяции.
1. Неравномерное перемещение жидкости по высоте и живому сечению гидролзиного аппарата
.
Имеет причиной гранулометрический состав и наличие связанной влаги (кислота должна вымыть воду из сырья). Плотность сырья в гидролиз аппарате по сечению увеличивается к середине, по высоте увеличивается к дну.
2. Неравномерное протекание диффузионных процессов. Влияет гранулометрический состав сырья и
,
где D - масса диффундирующего вещества F -площадь сечения, через котороую диффундирует масса. На практике данным уравнением пользоваться неудобно, поэтому вместо коэффициента диффузии используют коэффициент массопередачи, который зависит от вида сырья, степени его измельчения и температуры гидролиза. При диффузии кислоты в растительное сырьё, она частично нейтрализуется зольными элементами, поэтому её концентрация понижается, но постепенно, за счёт всё тех же процессов диффузии, концентрация кислоты в растворе и в растительном сырье выравнивается. На протекание диффузии влияет влажность сырья (разбавляет кислоту), наличие воздуха, паров и других газов (наличие газов препятствует проникновению раствора кислоты к сырью. Влияние всех этих факторов влияющих на процесс диффузии учитывается коэффициентом .
3. Количество выводимого сахара (b). Формула
применяется для определения концентрации сахара в разных сечениях аппарата. На равномерность выведения сахара из гидролиз аппарата при перколяционном гидролизе большое влияние оказывает уровень жидкости по соотношению к уровню сырья. На практике стремятся к тому, чтобы уровень жидкости и уровень сырья совпадал.
.
.
Даже с учётом всех коэффициентов данное уравнение описывает кинетику перколяционного гидролиза не в реальных условиях. На практике изменяется температура, изменяется уровень сырья и запас жидкости в гидролиз аппарате, количество и химический состав растиетльного сырья, концентрация кислты и т. д., поэтому в практических условиях реальный выход сахара рассчитывается по концентрации редуцирующих веществ в гидролизате и объёме полученного гидролизата.
Поведение сырья при перколяционном гидролизе.
При перколяционном гидролизе растительное сырьё оседает и уполнтяется в результате следующих процессов:
• деструкция и растворение полисахаридов;
• действие силы тяжести и давления подаваемой варочной смеси;
• деструкция и спрессовывание лигнина;
• перепад давления в гидролиз аппарате и коллекторе выдачи гидролизата.
Поэтому на скорость оседания сырья влияют качество сырья, природа лигнина и режим гидролиза.
Качество сырья: влажность, количество полисахаридов, соотношение легкогидролизуемых и трудногидролизуемых полисахаридов, сохранение полисахаридов и негидролизуемых соединений, равомерность химического и гранулометрического состава.
Природа лигнина подразумевает его способность не терять структуру препятствуя спрессовыванию.
Режим гидролиза: температура и давление в гидролиз -- аппарате, скорость перколяции, перепад давления в гидролиз аппарате и коллекторе выдачи гидролизата, концентраия кислоты, соотношение количества сырья и кислоты.
Реальный выход сахара при 1-ступенчатом гидролизе разбавленными кислотами.
При одноступенчатом гидролизе процессы гидролиза полсихаридов и распада моносахаров идут одновременно. Поэтому реальный выход сахара будет зависеть от соотношения скоростей двух этих реакций.
(Equation 1)
где x - количество гидролизованных полисахаридов;
y - количество моносахаров подвургнувшихся распаду.
(Equation 2)
(Equation 3)
(Equation 4)
Нас интересует пик графика z, на который приходится максимум получения сахара.
(Equation 5)
(Equation 6)
(Equation 7)
Влияние различных условий гидролиза на положение кривой реального выхода сахара.
1. Влияние катализатора. Чем сильнее кислота, и чем выше её концентрация, тем быстрее будет достигнут максимум.
2. Начальная концентрация полисахарида. Чем она выше, тем больше .
3. Свойства полисахарида. Чем устойчивее полисахарид к гидролизу, тем больше и меньше .
4. Свойства моносахаров. Чем устойчивее моносахарид к распаду, тем больше при прочих равных условиях.
5. Температура реакции. Влияние температуры реакции будет зависеть от соотношения их температурных коэффициентов .
В диапазоне температур 130 -- 180 градусов, изменение температуры незначительно влияет на соотношение . При увеличение температуры выше 180, это соотношение заметно увеличивается. Поэтому гидролиз целлюлозы необходимо проводить при температуне не ниже 170 -- 180 градусов. В целом температура влияет и на tопт и на zmax.
6. Гидромодуль -- это соотношение массы сырья к массе растворителя. При гидромодуле 15 и более, он не влияет на выход сахара. При уменьшении гидромодуля меньше 15, особенно при снижении до и ниже, выход сахара снижается.
7. Так, как растительное сырьё содержит разные полисахариды с разной гидролизуемостью, то на кривой реального выхода сахара при гидролизе растительного сырья, будет как минимум два максимум.
(Equation 8)
(Equation 9)
(Equation 10)
(Equation 11)
Рассчитывается отдельно для каждого полисахараида., обычно через M a и то что в скобках.
(Equation 12)
используется редко и в основном для пентозансодержащего сырья.
Особенности кинетики гидролиза гемицеллюлоз.
Особенность гидролиза цемицеллюлоз заключается в том, что он проходит в две стадии.
Первая стадия -- гидролитическое растворение гемицеллюлоз. Проходит в гетерогенных условиях при этом молекулы полисахарида гидролизуются на части с более низкой степенью полимеризации, которые переходят в раствор.
Вторая стадия -- гидролиз олигосахаридов. Проходит в гомогенных условиях, при этом олигосахара гидролизуются до моносахаров. Обе стадии идут одновременно, поэтому гидролизат содержит и олиго - и моносахара. В начале реакции гидролиза гемицеллюлоз, скорость реакции удовлетворяет уравнению первого прядка, при этом большая часть гемицеллюлоз растворяется. Оставшаяся часть гемицеллюлоз переходит в раствор более медленно. Это связано с особенностями пространственного строения. Небольшая часть гемицеллюлоз остаётся в целлюлозе между её макромолекулами, и гидролизуется уже вместе с ней. Доля гемицеллюлоз связанных с целлюлозой может достигать 10%.
Гидролитическое растворение гемицеллюлоз.
Количество гемицеллюлоз перешедших в раствор может быть определено двумя путями.
1. По редуцирующей способности гидролизата после инверсии. РВИ = ОС + МС; РВ = МС.
2. По разнице легкогидролизуемых полисахаридов в исходном сырье и в остатке после гидролитического растворения гемицеллюлоз. Гцраств = ЛГ ПС исхс -- ЛГ ПС остатка полсе гидролиза раствора гц.
Первый метод говорит о том, как эффективно проведён гидролиз (сколько вещества прогидролизовалось), второй метод даёт количество сахаров на выходе.
Факторы влияющие на гидролитическое растворение гемицелюлоз.
Гемицеллюлозы имеют разную гидролизуемость.
1 -- кукурузная кочерышка;
2 -- хлопковая шелуха;
3 -- берёза;
4 -- подсолнечная лузга;
5 -- бук.
Условия гидролиза: гидромодуль = 40; концентрация серной кислоты = 2%; температура = 100 градусов.
При гидролитическом растворении гемицеллюллоз растительного сырья, обычно выделяют две фракции. Первая фракция характеризуется кривыми до перелома (см. рисунок), вторая фракация после перелома параллеьлными кривыми. Параллельность кривых второй фракции говорит о том, что скорости их гидролиза одинаковы и равняются скорости гидролиза гемицеллюлоз бука. Чем круче идёт кривая, тем выше скорость гидролиза. Скорость гидролиза гемицеллюлоз превышает скорость гидролиза целлюлоз в раз. Скорость гидролиза первой фракции больше второй примерно в раза.
2. Гидромодуль.
1 -- гидромодуль = 10;
2 -- гидромодуль = 2;
3 -- гидромодуль = 1,5.
Сырьё -- осина, 1% раствор серной кислоты, температура 140 гр.
y - количесвтво растворившихся полисахаридов осины в % от массы;
x - время в минутах.
При увеличении гидромодуля увеличивается скоростьраспада гемицеллюлоз. Однозначного вывода о влиянии гидомодуля сделать нельзя так, как вместе с изменением гидромодуля сказывается и нейтрализация кислоты зольными элементами.
3. Температура.
При увеличении температуры увеличивается скорость реакции гидролитического раствоерения превой фракции гемицеллюлоз.
Кроме того при увеличении температуры происходит увеличение первой фракции за счёт второй.
График
Сырьё -- кукурузная кочерышка, 1% раствор серной кислоты.
Количество растворившихся цемицеллюлоз можно расчитать по следующему уравнению:
и - это содержание первой и второй фракций гемицеллюлоз определённое в стандартных условиях (температура 100 градусов, 2% серная кислота);
и - константы гидролитического растворения первой и второй фракций гемицеллюлоз;
C - концнетрация исходной кислоты.
Cз -- количество кислоты связавшейся с зольными элементами;
t - время гидролитического растворения.
Гидролиз олигосахаридов.
При гидролитическом растворении гемицеллюлоз образуются в основном олигосахариды со степенью полимеризации в среднем от 2 до 15. Олигосахариды состоящие из одинаковых звеньев -- моносахаров называются декстринами. Из гемицеллюлоз таких олигосахаридов почти не образутеся. В результате гидролиза олигосахаридов образуются моносахара.
Первый график для кукурузной кочерышки, второй для берёзы
2% раствор кислоты.
гидромодуль 40;
температура 140 градусов.
В начале гидролиза гемицеллюлоз скорость гидролитического растворения гемицеллюлоз значительно выше, скорости реакции гидролиза олигосахаридов, поэтому происходит накопление олигосахаров в растворе, что соответствует росту кривых на графике. В дальнейшем в связи с накоплением достаточного количества олигосахаридов, скорость их гидролиза начинает превышать скорость гидролитического растворения гемицеллюлоз, и кривые на графике начинают убывать. Поэтому можно отметить момент времени, когда выход олигосахаридов максимален. Когда кривые выходят на прямую, это означает, что скорости гидролитического растворения гемицеллюлоз и гидолиза олигосахаридов примерно одинаковы. Чем больше начальное количество гемицеллюлоз и выше их гидролизуемость, тем больше выход олигосахаридов и быстрее наблюдается их максимальное накопление.
Z - выход полисахаридов;
A - содержание в первой фракции растворившихся гемицеллюлоз;
k - константы скорости гидролитического расстворения;
kос -- констатны гидролиза олигосахаридов.
Выход сахара при распаде гемицеллюлоз теоретически можно рассчитать по формуле:
zгц -- выход сахара при гидролизе гемицеллюлоз;
М -- коэффициент пересчёта полисахарида в моносахара () для гемицеллюлоз);
и доля гексоз и пентов в полисахаридах соотвтетсвенно;
k2 - скорость распада глюкозы в однопроцентном растворе серной кислоты;
С -- константа хараткреизующая отличие концентрации используемой кислоты от стандартной концентации;
-3,6 - коэффициент пересчёта k2 для пентоз.
Особенности гидролиза целлюлозы.
При гидролизе целлюлозы разбавленными кислотами в гетерогенных условиях, реакция чётко подразделяется на две кинтеические стадии:
1. Быстрая стадия. Здесь гидролизуется аморфная часть целлюлозы, которая составляет легкогидролизуемую фракцию целлюлозы. Константа скорости гидролиза при этом является перемеенной величиной.
2. Медленная стадия. Во время её гидролизуется часть целлюлозы, имеющая высокоупорядоченное строение. Данную фракцию называют трудногидролизуемой. Константа скорости гидролиза целлюлозы на медленной стадии является постоянной.
В целом целлюлоза обладает низкой реакционной способностью в том числе и по отношению к гидролизу. Это связано с особенностями её строения:
1. Высокая упорядоченность макромолекул:
2. Неоднородность молекулярной структуры целлюлозы;
3. Наличие межмолекулярных связей;
4. Деффектное строение элементарных звеньев целлюлозы.
Основной причиной низкой реакционной способности целлюлозы многие исследователи считают высокоупорядоченную межмолекулярную структуру целлюлозы, которую часто характеризуют индексом упорядоченности. При этом упорядоченность структуры нужно рассматривать на внутримолекулярном, межмолекулярном и надмолекулярном уровнях.
Для увеличения реакционной способности целлюлозы, необходимо нарушить её упорядоченную структуру, в первую очередь на надмолекулярном уровне. При этом увеличится доступность молекул целлюлозы для катализатора. Разрушить упорядоченную структуру целлюлозы и увеличить её реакционную способность можно разными методами основанными на физическом, механическом, механохимическом, химическом, электрохимическом, ферментативном, микробиологическом и других методах воздействия.
Характеристики описывающие реакционную способность целлюлозы.
1. Индекс кристалличности (ИК). Характеризует степень упорядоченности строения целлюлозы на всех уровнях. Чем выше индекс кристалличности, тем менее реакционноспособна целлюлоза. Методы воздействия на целлюлозу оцениваются тем, как значительно изменяется индекс кристалличности.
2. Степень полимеризации (СП). Чем выше степень полимеризации, тем целлюлоза менее реакционноспособна.
3. Удельная площадь поверхности. Характеризует активную плодащь поверхности с учётом микропористой структуры в строении растительного сырья. Чем выше удельная площадь поверхности, тем выше реакционная способность целлюлозы.
Методы воздействия на целлюлозу и целлюлозосодержащее сырьё оцениваются по данным характеристикам. Чем сильнее уменьшается индекс кристалличности и степень полимеризации, и заметнее увеличивается удельная площадь поверхности, тем эффективнее метод воздействия.
Методы увеличения реакционной способности целлюлозы.
Физические методы.
1. Облучение гамма излучениемм (радиолиз).
2. Обработка потоком электронов.
3. Облучение микроволновым излучением (окло 2500 МГц).
4. Нагревание на воздухе, в воде, атмосфере углекислого газа или керосине.
5. Охлаждение на воздухе, в воде и других растворителях.
6. Обработка при повышенном или пониженном давлении.
7. Действие ультразвука и т. д.
Применение физических методов позволяет увеличить реакционную способность целлюлозы и целлюлозосодержащего сырья от 2 до 5 раз. Из приведённых методов наиболее значительный эффект происходит при облучении гамма излучением, но не является экономически целесообразным.
Механические методы.
Различные виды измельчения (например: на шаровых или коллойдных мельницах, вибромельницах, дефибрация; экструзия, измельчение в дезинтеграторах и дробилках, на вальцах и т. д.).
Использование механических методов приводит к разрушению кристаллической структуры целлюлозы, увеличению удельной площади поверхности, и как следствие к значительному возрастанию реакционной способности до 10 и более раз.
Химические методы. Они основаны на способности тех или иных соединений растворять целлюлозу или лигнин, приводить к набуханию, или разрушению в структуре целлюлозы.
Химические методы подразделяются по направлению воздействия.
1. Методы направленные на растворение целлюлозы. Осуществляются при воздействии комплексных соеднинений кадмия, никеля или цинка с этилендиамином (кодаксени, никоксен, цинкоксен), комплексом железотартратнатрия, четвертичные аммонийные соединения, концентрированные минеральные кислоты и т. д. Эти соединения растворяют целлюлозу, которая затем высаживается из раствора разбавлением водой; добавлением ацетона или спирта. При этом регенерированная целлюлоза является практически аморфной, тоесть удельная площадь поверхности значительно возрастает.
2. Воздействие приводящее к набуханию и мерсеризации целлюлозы. Целлюлоза не растворяется а набухает (площадь поверхности увеличивается за счёт набухания). При мерсеризации площадь поверхности увеличивается засчёт изменения структуры. Для этого используют растворы неорганических солей включающие анионы , , , концентрированные растворы щёлочей (концентрация от 10 до 22%). За счёт данного вида воздействия происходит увеличение удельной площади поверхности. Индекс кристалличности и степень полимеризации если уменьшаются, то незначительно.
3. Делигнификация -- это удаление лигнина. Применение данного метода основано на способности некоторых соединений растворять или окислять лигнин. Для делигнификации применяют разбавленные растворы щёлочей (обычно гидроксид натрия или аммиачную воду с концентрацией при нагревании), растворы некоторых солей со щёлочной реакцией (например карбонат нария), растворы фенолов, и т. д. (вызывают растворение). Разрушение лигнина возможно при воздействии активного кислорода или озона, при воздействии системы сульфат железа II -- перекись водорода, смеси оксидов азота и кислорода, пероксидных соединений и т. д.
Методы химического воздействия направленные на набухание и аморфиризацию целлюлозы приводят к 10 -- 15 кратному увеличению её реакционной способности. Применение делигнификации увеличивает реакционную способность целлюлозц и целлюлозосодержащего сырья в 5 -- 10 раз.
Механохимические методы считаются одними из самых перспективных методов предобработки целлюлозы и целлюлозосодержащего сырья перед ферментативным гидролизом. Их особенностью является одновременное осуществление механического и химического воздействия на растительное сырьё.
Сюда относятся:
1. Измельчение в присутствии кислоты;
2. Автогидролиз с экструзией;
3. Взрывная дефибрация.
После данных методов обработки, реакционная способность целлюлоз и целлюлозосодержащего сырья увеличивается до 10 -- 15 раз.
Биологические методы.
Здесь можно выделить две основные подргуппы.
1. Агротехнические методы. Они основаны на изменении химического состава растительного сырья в процессе роста и развития различных видов растений. Данный метод реализуется за счёт сбора растительного сырья в определённый вегетационный период, когда химический состав растительной ткани имеет наиболее оптимальное соотношение его компонентов для биоконверсии. Можно таким образом уменьшить содержание лигнина в древесине до 4-х раз. Эффективность достаточно спорна.
2. Применение микроорганизмов, способных избирательно утилизировать лигнин и лигнолитических ферментных препаратов.
Данные виды воздействия направлены на удаление лигнина из растительного сырья.
Считается, что данные методы могут быть достаточно эффективными (способны увеличить реакционную способность целлюлозы и целлюлозосодержащего сырья до 10 раз). На данный момент эти методы широко разрабатываются в мире, но эффективных продуцентов лигниназ пока не обнаружено. Каждый из рассмотренных методов предобработки растительного сырья имеет свои достоинства и недостатки.
Применение того или иного метода зависит от вида сырья, и от цели его дальнейшего использования. Многда применяют совместно два или три метода предобработки, при этом при совмещении двух эффективных методов не происходит значительного возрастания реакционной способности сырья, по сравнению с использованием данных методов в отдельности. Цлесообразно применять совместно только слабо и сильнодействующие методы, например обработку 1% раствором NaOH и измельчение, при этом приосходит суммирование воздействий.
Кинетика гидролиза полисахаридов и распада моносахаров в неизотермических условиях.
Кинетические уравнения рассмотреные выше выведены при условии протекания гидролиза полисахаридов и распада моносахаров в изотермических условиях. На практике же в большинстве случаев, данные реакции протекают в неизотермическом режиме. Для учёта данного фактора было предложенно следующее: строить кривую изменения температуры гидролиза во времени, разбивать её на определённые временные интервалы, для каждого интервала принимать среднюю температуру за постоянную величину и по ней рассчитывать критерий гидролиза и критерий распада для каждого интервала, а затем их суммировать и подставлять в кинетические уравнения.
Для каждого интервала:
Здесь обозначено время.
Кинетика гидролиза ЛГ ПС в отсутсвии минеральной кислоты.
В отсутствие минеральной кислоты, но при достаточном увеличении температуры в присутствии влаги, может происходить гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов до олиго -- и моносхаров, а иногда и распад образующихся моносахаров до фурфурола или оксиметилфурфурола. Этот процесс называется бескислотным гидролизом или автогидролизом. Его катализатором являются органические кислоты, которые образуются при влаготеплоовй обработке растительного сырья. Из ацетильных и метоксильных групп содержащихся в составе гемицеллюлоз и пектиновых веществ, при влаготепловой обработке образуются уксусная и муравьинная кислоты соответственно. Кинетика данного процесса описывается теми же уравнениями, что и гидролиз минеральными кислотами, только с учётом активностей и концентраций уксусной и муравьинной кислот. Основная сложность -- определение концентраций данных кислот во время автогидролиза.
Механизм действия концентрированных кислот на ПС растительного сырья.
При использовании концентрированной сильной кислоты, полисахариды растительного сырья начинают растворяться ещё при комнатной температуре.
Гемицеллюллозы начинают растворяться при концентрации соляной кислоты 35 -- 36%, и серной 56 -- 58%. Целлюлоза начинает растворяться в соляной кислоте при концентрации около 39%, и в серной при 62%. Расторение полисахаридов растительного сырья в концентрированных кислотах происходит через стадию набухания. При растворении полисахаридов в концентрированных кислотах, образуются оксониевые соединения, которые имеют различный состав в зависимости от вида и концентрации кислоты.
За счёт образования малоустойчивых оксониевых соединений, и идёт растворение полисахаридов. При распаде оксоиневого соединения образуются фрагменты полисахаридов с меньшей молекулярной массой. По этому постепенно полисахарид распадается до олигосахаров. Гидролиз до моносахаридов идёт в небольшой степени изза низкого содержания воды, которая зачастую находится в связанном состоянии. Также наблюдается процесс реверсии моносахаридов, тоесть их полимеризация с образованием олигосахаров. Взаимодействие кислоты с полисахаридами также приводит к образованию эфиров. При высоких температурах (которы сответствует давление 6 ати и выше), концентрированных кислотах идёт процесс гумификации и обугливания полисахаридов. Данный процесс может быть использован в производстве фурфурола (но на самом деле не используется).
Теории ферментации микроорганизмов.
Классификация процессов ферментации микроорганизмов.
1. По доступу кислорода: аэробные и анаэробные. Например аэробные это получение биомассы дрожжей, грибов; к анаэробным относится спиртовое или уксуснокислое брожение.
2. По периодичности: периодические, непрерывные и полунепрерывные.
3. По соблюдению асептики: стерильные, условно стерильные и нестерильные. (Термин стерильный здесь подрузмевает под собой чистый. К стерильным относятся пищевые и фармацефтические производства. К условно стерильным относятся производства с поверхностным культивированием. Нестерильное производство -- производство кормовых дрожжей и гидролизного спирта.
4. По целевому продукту. Целевым продуктом может быть: биомасса (производство кормовых, хлебопекарных дрожжей, заквасок и т. д.); продукт находящийся в клетке; метаболит растворённый в культуральной жидкости (молочная кислота, этиловый спирт, лимонная кислота, уксусная кислота).
5. По количеству этапов культивирования: одноступенчатые; многоступенчатые.
6. По наличию или отсутствию иммобилизации.
7. По нахождению продуцента по отношению к питательной среде: глубинное или поверхностное. Глубинные процессы могут производиться на растворимых субстратах и на нерастворимых субстратах (жидкие в виде эмульсии и твёрдые в виде пульпы). Поверхностные процессы могут проводиться на жидких субстратах или на твёрдых.
Фазы роста микроорганизмов в периодической ферментации.
1. Первая фаза -- лагфаза. На этой фазе роста не происходит, тоесть количество биомассы не увеличивается, поэтому кривая идёт параллельно оси абсцисс. На этой фазе культура привыкает к субстрату.
2. Фаза ускорения роста. На этой стадии культура начинает размножаться.
3. Фаза экспоненциального роста. Скорость роста экспонецниальна.
4. Фаза замедления роста. Скорость роста постепенно снижается.
5. Фаза стационарного роста. На этой фазе скорость роста равна скорости отмирания. Это фаза накопления вторичных метаболитов.
Динамика изменения биомассы и образования первичных и вторичных метаболитов в процессе роста микроорганизмов.
Кинетика роста организмов при периодической ферментации.
- уравнение Моно
-скорость роста, - константа скрорости роста, \mu_m - максимальная скорость роста; S - концентрация субстрата.
- уравнение Иерусалимского.
- уравнение Моно -- Иерусалимского
Кинетика роста микроорганизмов при непрерывной ферментации
, где D - разбавление, F - скорость потока среды V - объём среды в аппарате.
y -- экономический коэффициент - константа насыщения
.
Правые части приравниваются к нулю, и получается, что удельная скорость роста равна скорости разбавления, при этом текущая концентрация биомассы равняется разности концентраций субстратов + экономический коэффициента
Кинетика биосинтеза.
К -- биосинтетическая активность культуры -- количество продукта в единицу времени на единицу биомассы
, где
, е
сли изменение небольшое;, если разница большая используют логарифмические параметры
.
При непрерывном культивировании.
Свойства ферментов как биологических катализаторов.
1. Высокая каталитическая активность.
2. Специфичность действия:
...Подобные документы
Характеристика целлюлозы и ее производных. Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозных материалов в ацетатном буфере и в водной среде. Зависимость эффективности ферментативного гидролиза от условий перемешивания, от концентрации субстрата, от сырья.
дипломная работа [993,2 K], добавлен 19.01.2016Химический состав рода Penstemon и биологическая активность. Качественный фитохимический анализ растительного сырья методом тонкослойной хроматографии. Определение количественного состава компонентов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
практическая работа [154,4 K], добавлен 07.01.2016Характер питания и мест обитания молей-кератофагов. Защита материалов и изделий от них. Основные методы борьбы с молями. Питание и размножение жуков-кожеедов. Классификация молей по месту обитания. Ветчинный кожеед как самый распространенный вид.
реферат [30,7 K], добавлен 05.12.2012Признаки живой материи, которые отличают ее от неживой. Ферменты, их применение в пищевых технологиях. Отличие ферментов от небиологических катализаторов. Органы и ткани животных. Углеводы, получаемые из растительного сырья. Полисахариды второго порядка.
контрольная работа [35,1 K], добавлен 26.11.2012Изучение отдельных представителей семейства бобовых, выявление содержания в них флавоноидов, установление диапозона лечебных свойств лекарственного растительного сырья, богатого флавоноидами. Лекарственные растения, травы и растительные препараты.
курсовая работа [40,9 K], добавлен 19.06.2008Микрофлора готовых лекарственных форм. Объекты санитарно-бактериологического обследования в аптеках. Определение микробной обсемененности растительного лекарственного сырья. Микробная обсемененность препаратов. Определение патогенных микроорганизмов.
презентация [2,4 M], добавлен 06.03.2016Процессы превращения веществ и энергии внутри растительного организма как основные физиологические функции растения. Химический состав клетки. Строение, классификация и функции углеводов, липидов и аминокислот. Кинетика ферментативного катализа.
курс лекций [188,8 K], добавлен 15.06.2010Понятие о флоре, ландшафте, о растительном сообществе и растительности. Основные этапы развития мира животных на земле. Виды и важнейшие породы домашних животных. Загрязнение природной среды и роль растений в ее защите. Охрана растительного покрова.
реферат [21,7 K], добавлен 03.07.2010Характеристика основных показателей микрофлоры почвы, воды, воздуха, тела человека и растительного сырья. Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Влияние факторов окружающей среды на микроорганизмы. Цели и задачи санитарной микробиологии.
реферат [35,7 K], добавлен 12.06.2011Углеводы как неотъемлемый компонент клеток и тканей живых организмов растительного и животного мира и основная часть органического вещества на Земле. Простые и сложные углеводы, их химические свойства. Особенности моносахаридов, их виды и классификация.
презентация [1,2 M], добавлен 17.11.2014Методы изучения клетки, их зависимость от типа объектива микроскопа. Положения клеточной теории. Клетки животного и растительного происхождения. Фагоцитоз - поглощение клеткой из окружающей среды плотных частиц. Подходы к лечению наследственных болезней.
презентация [881,2 K], добавлен 12.09.2014Свойства живого организма, основные положения клеточной теории. Осмотические активные вещества растительной клетки. Темновая стадия фотосинтеза, роль дыхания в обмене веществ растительного организма. Химическая природа и характер действия дегидрогеназ.
контрольная работа [58,0 K], добавлен 01.12.2011Таксономические единицы растительного мира, систематика растений, их значение в питании диких животных и человека. Строение и функции эпидермы листа; классификация, биологическое значение почек. Экологические группы растений по отношению к составу почвы.
контрольная работа [229,3 K], добавлен 06.02.2012Химический состав и значение оболочки растительной клетки. Физические свойства цитоплазмы. Структура мембраны клетки, ее мембранные органоиды. Особенности нуклеинового и белкового обмена двумембранных органоидов. Одномембранные и немембранные органоиды.
презентация [2,2 M], добавлен 08.11.2012Особенности строения и роста растительных клеток. Методы изучения растительной клетки. Электронная микроскопия, возможности светового микроскопа. Метод замораживания-скалывания. Дифференциальное центрифугирование, фракционирование. Метод культуры клеток.
реферат [30,9 K], добавлен 04.06.2010Составляющие растительной клетки. Плазматическая мембрана, ее функции. Компоненты клеточной стенки. Типы митоза эукариот. Образовательные ткани в теле растений и их расположение. Механические свойства растительных клеток. Наружные выделительные ткани.
учебное пособие [76,4 K], добавлен 12.12.2009Сущность растительного мира - совокупности фитоценозов определённой территории или всей Земли, которые характеризуются видовым составом, численностью особей, особенностями сочетания представителей различных растительных таксонов и экологическими связями.
презентация [821,1 K], добавлен 17.03.2011Исследование анатомического строения надземных и подземных органов герани лесной - многолетнего травянистого растения. Ее применение в народной медицине. Установление основных анатомо-диагностических признаков цельного сырья с целью его идентификации.
статья [482,5 K], добавлен 26.07.2013Сущность органоидов, классификация включений цитоплазмы по функциональному назначению. Отличительные особенности растительной и животной клеток, роль ядра в их функционировании. Основные органоиды клетки: комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды.
презентация [6,8 M], добавлен 27.12.2011Строение и функции оболочки клетки. Химический состав клетки. Содержание химических элементов. Биология опухолевой клетки. Клонирование клеток животных. А была ли Долли? Клонирование - ключ к вечной молодости? Культивирование клеток растений.
реферат [27,3 K], добавлен 16.01.2005