11.9 kinetika produksi dalam Kultur SelPada bagian ini kita mempertimbangkan kinetika produksi senyawa dengan berat molekuler ringan, seperti etanol, asam amino, antibiotik dan vitamin, yang dikeluarkan dari sel-sel pada kultur. Seperti terlihat pada Tabel 11.9, produk fermentasi dapat diklasifikasikan menurut hubungan antara produksintesis dan penghasil energi dalam sel [10, 17]. Senyawa dalam kategori pertama terbentuk langsung sebagai hasil atau produk sampingan dari metabolisme energi; Bahan ini disintesisdi jalur yang menghasilkan ATP. Kelas kedua Produk ini sebagian terkait dengan penghasil energi tetapi membutuhkan energi tambahan untuk sintesis. Pembentukan produk lainnya seperti antibiotik melibatkan reaksi jauh berbeda dari energi metabolisme.Klasifikasi produk fermentasi dari berat molekul yang ringanKlasifikasi metabolitContoh

Produk yang langsung berhubungan dengan generasi energi selEtanol, asam asetat, asam glukonat, aseton, butanol, asam laktat, produk lainnya darifermentasi anaerob

Produk yang tidak langsung berhubungan dengan penghasil energiAsam amino dan produk-produknya, asam sitrat, nukleotida

Produk dimana tidak jelas langsung atau tidak langsung berhubungan dengan penghasil energiPenicillin, streptomycin, Vitamins

Terlepas dari kelas produk, laju pembentukan produk dalam sel kultur dapat dinyatakan sebagai fungsi dari biomassa konsentrasi:rp = qp x(11.67)dimana rp adalah laju volumetrik pembentukan produk dengan satuan, misalnya, kg m -3 s -1, x adalah konsentrasi biomassa, dan qp adalah laju spesifik pembentukan produk dengan dimensi T -1. qp dapat ditinjau setiap saat selama fermentasi sebagai rasio tingkat produksi dan konsentrasi biomassa; qp adalah tidak selalu konstan selama kultur batch. tergantung pada apakah produk itu berhubungan dengan energi metabolisme atau tidak, kita dapat mengembangkan persamaan untuk qp sebagai fungsi dari laju pertumbuhan dan parameter metabolik lainnya.

11.9.1 Pembentukan Produk Langsung Dengan Energi MetabolismeUntuk produk yang terbentuk pada jalur yang menghasilkan ATP, laju produksi terkait dengan kebutuhan energi sel. Pertumbuhan sel biasanya membutuhkan energi utama; oleh karena itu, jika produksi ditambah dengan energi metabolisme, produk akan terbentuk kapanpun ada pertumbuhan. Namun, ATP juga diperlukan untuk kegiatan lain yang disebut pemeliharaan. contoh perawatan termasuk motilitas sel, pergantian komponen sel dan penyesuaian potensial membran dan pH internal. Kegiatan pemeliharaan dilakukan dengan Sel-sel hidup bahkan tanpa adanya pertumbuhan. Produk disintesis pada jalur energi yang akan diproduksi kapanpun pemeliharaan dilakukan karena dibutuhkan ATP. Persamaan Kinetis untuk pembentukan produk harus memperhitungkan pertumbuhan berhubungan dan pemeliharaan terkait produksi, seperti dalam persamaan berikut:rp = YPX rx + Mpx(11.68)Dalam Persamaan. (11,68), r X adalah laju volumetrik pembentukan biomassa, YPX adalah hasil teoritis atau yield produk dari biomassa, m p adalah laju spesifik pembentukan produk karena pemeliharaan, dan x adalah konsentrasi biomassa, mp memiliki dimensi T -1 dan satuan produk kg (biomassa kg) -1 s -1. Persamaan. (11,68) menyatakan bahwa laju pembentukan produk sebagian bergantung pada laju pertumbuhan tetapi juga sebagian konsentrasi sel. Dari Persamaan. (11,52), r X sama ke / u x; untuk itu:rp = ( YPX + mp)x(11.69)Perbandingan Persamaan (11,67) dan (11,69) menunjukkan bahwa, untuk produk ditambah dengan metabolisme energi, qp sama dengan kombinasi pertumbuhan langsung dan pertumbuhan tidak langsung:qp = Ypx + mp(11.70)

11.9.2 Pembentukan Produk Secara tidak langsung dengan Energi MetabolismeBila produk disintesis sebagian di jalur metabolisme digunakan untuk pembangkit energi dan sebagian di jalur lain yang membutuhkan energi, hubungan antara pembentukan produk dan pertumbuhan dapat menjadi rumit. Kita tidak akan berusaha untuk mengembangkan persamaan untuk qp untuk jenis produk. Sebuah perlakuan umum pembentukan produk tidak langsung digabungkan diberikan oleh Roels dan Kossen [10].11.9.3 Pembentukan Produk tanpa energi metabolismeProduksi tidak melibatkan energi metabolisme sulit untuk pertumbuhan karena pertumbuhan dan sintesis produk yang sedikit terpisahkan. Namun dalam beberapa kasus, laju pembentukan Produk non-pertumbuhan berbanding lurus konsentrasi biomassa, sehingga laju produksi sebagaimana didefinisikan dalam Persamaan (11.67) dapat digunakan dengan qp konstan. Terkadang qp adalah Fungsi kompleks laju pertumbuhan dan harus dinyatakan dengan persamaan empiris yang berasal dari percobaan. Contohnya adalah sintesis penisilin; persamaan untuk laju produksi penisilin sebagai fungsi konsentrasi biomassa dan laju pertumbuhan spesifik telah diturunkan oleh Heijnen et al. [18].

11.10 Kinetika penyerapan Substrat pada Sel kulturSel mengkonsumsi substrat dari lingkungan eksternal dan menyalurkannya ke dalam jalur metabolisme yang berbeda. beberapa substrat dapat diarahkan ke pertumbuhan dan sintesis produk; sebagian yang lain digunakan untuk menghasilkan energi untuk kegiatan pemeliharaan. Persyaratan substrat untuk pemeliharaan bervariasi tergantung pada kondisi organisme dan kultur; lebih lengkapnya tentang penyerapan substrat harus mencakup komponen pemeliharaan. Tingkat spesifik penyerapan substrat untuk kegiatan pemeliharaan dikenal sebagai Koefisien pemeliharaan, m s. Dimensi m s adalah T - 1; satuan khas adalah kg substrat (kg biomassa) -1 s-1. Beberapa contoh koefisien pemeliharaan untuk berbagai mikroorganisme yang tercantum dalam Tabel 11.10. Kekuatan ion sangat mempengaruhi nilai m s; sejumlah besar energi yang dibutuhkan untuk menjaga gradien konsentrasi membran sel. Fisiologi pentingnya m s telah menjadi subyek dari banyak perdebatan; di sana indikasi bahwa m s untuk organisme tertentu mungkin tidak konstan pada semua kemungkinan laju pertumbuhan. Laju penyerapan substrat dapat dinyatakan sebagai fungsi dari Konsentrasi biomassa oleh persamaan analog dengan persamaan. (11,67):rs = qs x(11.71)di mana r s adalah laju volumetrik konsumsi substrat dengan satuan, misalnya, kg m-s 1 -3, qs adalah laju spesifik substrat serapan, dan x adalah konsentrasi biomassa. Seperti qp, qs memiliki Dimensi T-1. Pada bagian ini, kita akan mengembangkan persamaan untuk qs sebagai fungsi dari laju pertumbuhan dan parameter metabolisme lainnya yang relevan.

11.10.1 Ketiadaan Substrat Serapan dalamPembentukan produkDalam beberapa kultur tidak ada pembentukan produk ekstrasel; misalnya, biomassa itu sendiri adalah produk dalam pembuatan ragi roti dan protein tunggal CEU. Dengan tidak adanya produk pembentukan, kami menganggap bahwa semua substrat memasuki sel digunakan untuk pertumbuhan dan pemeliharaan fungsi. Laju kegiatan sel ini dinyatakan sebagai berikut:(11.72)

Dalam Persamaan. (11,72), r X adalah laju volumetrik produksi biomassa, YXS adalah hasil sebenarnya dari biomassa dari substrat, ms adalah Koefisien pemeliharaan, dan x adalah konsentrasi biomassa. Persamaan (11,72) menyatakan bahwa laju penyerapan substrat sebagian bergantung pada laju pertumbuhan tetapi juga bervariasi sesuai dengan konsentrasi sel. Ketika r X dinyatakan menggunakan Persamaan. (11,52), Persamaan. (11,72) menjadi:(11.73)Jika sekarang kita mengekspresikan sebagai fungsi dari konsentrasi substrat menggunakan Persamaan. (11,60), Persamaan. (11,73) menjadi(11.74)Ketika s adalah nol, Persamaan. (11.74) memprediksi bahwa konsumsi substrat akan dilanjutkan dengan laju yang sama dengan m s x. Tanpa substrat Serapan Substrat di tidak mungkin; ciri ini Persamaan. (11.74) tidak realistis. Masalah muncul karena implisit asumsi yang telah kita buat tentang hakikat kegiatan pemeliharaan. Hal ini dapat ditunjukkan bahwa bagaimanapun Persamaan. (11.74) adalah deskripsi realistis serapan substrat selama ada substrat eksternal yang tersedia; ketika substrat pemeliharaan habis energi biasanya disediakan oleh metabolisme endogen.11.10.2 Substrat Serapan Dengan Produk terbentuknyaPola aliran substrat dalam sel mensintesis produk tergantung pada apakah pembentukan produk digabungkan menjadi energi metabolisme. Ketika produk terbentuk dalam energi menghasilkan jalur, misalnya dalam kultur anaerob, sintesis produk merupakan konsekuensi tak terhindarkan dari pertumbuhan sel dan pemeliharaan. Dengan demikian, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 11.13, tidak ada yang terpisah (a) aliran dari substrat ke dalam sel untuk sintesis produk; produk terbentuk dari substrat yang diambil untuk mendukung pertumbuhan dan pemeliharaan. Substrat dikonsumsi untuk pemeliharaan tidak berkontribusi pada pertumbuhan; oleh karena itu merupakan suatu Aliran substrat terpisah ke dalam sel. Sebaliknya, ketika produksi tidak terhubung atau hanya sebagian terkait dengan metabolisme energi, semua atau sebagian dari substrat yang diperlukan untuk sintesis produk tambahan, dan terpisah dari, yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan pemeliharaan. Aliran substrat dalam hal ini diilustrasikan dalam Gambar 11.13 (b). Ketika produk secara langsung terkait dengan penghasil energi, persamaan untuk laju konsumsi substrat tidak termasuk istilah terpisah untuk produksi; kebutuhan substrat untuk produk Pembentukan sudah diperhitungkan dari segi pertumbuhan dan pemeliharaan terkait penyerapan substrat. Oleh karena itu, persamaan disajikan dalam bagian sebelumnya untuk konsumsi substrat dengan tidak adanya pembentukan produk berlaku; laju serapan substrat berhubungan dengan pertumbuhan dan pemeliharaan kebutuhan oleh Pers (11,73) dan (11,74). Dalam kultur di mana sintesis produk hanya secara tidak langsung disertai dengan metabolisme energi, laju konsumsi substrat adalah fungsi dari tiga faktor: laju pertumbuhan, laju pembentukan produk dan laju penyerapan substrat untuk pemeliharaan. Ini fungsi sel yang berbeda dapat berhubungan dengan hasil dan pemeliharaan koefisien:(11.75)di mana rs adalah laju volumetrik konsumsi substrat, r X adalah laju volumetrik produksi biomassa, rp adalah laju volumetrik pembentukan produk, YXS adalah yield yang benar biomassa dari substrat, YPS adalah yield produk dari substrat, ms adalah koefisien pemeliharaan, dan x adalah biomassa konsentrasi. Jika kita mengungkapkan r X dan rp menggunakan Persamaan (11.52) dan (11.67)(11.76)11.11 Pengaruh Kondisi Kultur di SelkinetikaSuhu memiliki efek yang ditandai pada laju metabolisme.Suhu memiliki pengaruh langsung terhadap laju reaksi sesuaihukum Arrhenius; juga dapat mengubah konfigurasikonstituen sel, terutama protein dan komponen membran.Secara umum, pengaruh suhu terhadap pertumbuhan adalahmirip dengan yang sudah dijelaskan dalam Bagian 11.3.4 untukenzim. Ada perkiraan dua kali lipat di spesifikTingkat pertumbuhan untuk setiap 10 ~ kenaikan suhu, sampaikerusakan struktural protein sel dan lipid mulaiterjadi. Seperti konstanta laju lainnya, koefisien pemeliharaanms memiliki Arrhenius-jenis ketergantungan suhu [19]; inidapat memiliki efek kinetik yang signifikan pada kultur di manaperputaran makromolekul merupakan kontribusi penting untukkebutuhan perawatan. Sebaliknya, suhu hanya memilikiefek kecil pada koefisien hasil biomassa, YXS [19].Respon seluler lainnya dengan suhu yang dijelaskan di tempat lain[1, 20, 21].Tingkat pertumbuhan tergantung pada pH media di banyak yang samacara sebagai aktivitas enzim (Bagian 11.3.4); pertumbuhan maksimumTingkat biasanya dipertahankan lebih 1-2 unit pH tetapi menurun denganVariasi lebih lanjut, pH juga mempengaruhi profil sintesis produkdalam budaya anaerobik dan dapat mengubah perawatan energipersyaratan [1, 20, 21].11.12 Menentukan Sel Parameter KinetikDari data BatchUntuk menerapkan persamaan disajikan dalam Bagian11,6-11,10 untuk fermentasi nyata, kita harus mengetahui parameter kinetik dan hasil untuk sistem dan memiliki informasitentang tingkat pertumbuhan, serapan substrat dan pembentukan produk.Kultur Batch adalah metode yang paling sering diterapkan untukmenyelidiki perilaku kinetik, tetapi tidak selalu yang terbaik.Metode untuk menentukan parameter reaksi dari data betsdijelaskan di bawah ini.1 1. 1 2. 1 Laju Pertumbuhan, pembentukan Produkdan Substrat SerapanMenentukan laju pertumbuhan dalam kultur sel memerlukan pengukurankonsentrasi sel. Banyak percobaan yang berbedaprosedur yang diterapkan untuk estimasi biomassa [20, 22]. langsungpengukuran dapat dibuat dari jumlah sel, kering atau massa sel basah,penuh volume sel atau kultur kekeruhan; alternatif, tidak langsungperkiraan diperoleh dari pengukuran pembentukan produk,peRUBAHAN panas atau komposisi sel. Viabilitas sel adalahbiasanya dievaluasi dengan menggunakan plating atau pewarnaan teknik. masing Masingmetode untuk estimasi biomassa akan memberikan agak berbedahasil. Sebagai contoh, laju pertumbuhan ditentukan dengan menggunakan sel keringberat mungkin berbeda dari yang diperoleh dari jumlah selkarena berat kering dalam kultur dapat meningkatkan tanpa berhubunganmeningkatkan jumlah sel.Terlepas dari bagaimana konsentrasi sel diukur,teknik yang dijelaskan dalam Bagian 11.2 untuk diferensiasi grafisdata konsentrasi yang cocok untuk menentukanlaju pertumbuhan volumetrik dalam kultur batch. Hasil akanbergantung sampai batas tertentu pada bagaimana data merapikan. untuk alasandijelaskan dalam Bagian 11.7.3, biasanya ada yang relatifperubahan mendadak dalam tingkat pertumbuhan antara pertumbuhan dan stasionerfase; fitur ini memerlukan perawatan ekstra untuk diferensiasi akuratkurva pertumbuhan batch. Sebagaimana dibahas dalam Bagian 3.3.1, sebuahkeuntungan dari tangan-smoothing adalah bahwa hal itu memungkinkan kita untuk menilaisignifikansi poin individu. Setelah pertumbuhan volumetriklaju r X diketahui, laju pertumbuhan spesifik / ~ diperoleh denganmembagi r X dengan konsentrasi sel.Untuk tahap pertumbuhan kultur batch, alternatifMetode dapat diterapkan untuk menghitung / ~. Dengan asumsi pertumbuhan dapatdiwakili oleh model orde pertama dari Persamaan. (11,52), yang terintegrasihubungan Eq. (11,53) atau (11,54) memungkinkan kita untukmemperoleh / langsung. Selama fase pertumbuhan ketika / ~ pada dasarnyakonstan, sebidang Ln x terhadap waktu memberikan garis lurus denganslope .