5.Контроль за постоянством абиотических факторов при непрерывном культивировании микроорганизмов в ферментерах и биореакторах.

Независимо от объема биореактора (ферментера) принципы их устройства и действия сходны между собой. Ферментеры – это емкости, в которых условия культивирования микробов (температура, pH, концентрация питательных субстратов, насыщенность O₂ и другими газами) должны быть одинаковыми по всей массе культуры, строго регламентированы и контролируемы. Достигается это инженерно-техническими решениями путем перемешивания всех компонентов жидкой фазы с помощью механической мешалки, встроенной в ферментер.

В случае недостаточного перемешивания при непрерывном культивировании возникают застойные зоны, что приводит к появлению неконтролируемых локальных участков в ферментере с отличным от необходимых параметров условиями роста микроорганизмов. Популяция полученных при этом клеток будет сильно гетерогенной. Например, при слабом перемешивании аэробных культур контакт между кислородом воздуха и жидкой средой недостаточен, поэтому в некоторых участках ферментера могут создаться почти анаэробные условия, что будет лимитировать рост культур. Если культивируют факультативно-анаэробные микроорганизмы, то дыхательные характеристики разных клеток популяции могут сильно отличаться, что ведет к снижению выхода биомассы.

При помощи специального устройства скорость перемешивания среды в ферментере плавно регулируется, а количество оборотов мешалки показывается соответствующим прибором.

5.1.Аэрация питательной среды.

Как уже было показано, всем облигатным аэробам в качестве акцептора электронов необходим молекулярный кислород. Для бактерий, растущих на агаре или в тонких слоях жидкости в присутствии воздуха, кислорода обычно вполне достаточно. В жидких средах при большом объеме жидкости аэробные бактерии могут расти только на поверхности, т.к. в более глубоких слоях по мере удаления от поверхности условия приближаются к анаэробным.

Для нормального роста аэробных микроорганизмов в глубоких слоях жидкой культуры, т.е. в тех условиях, которые и создаются в ферментерах и реакторах, требуется аэрация. Микроорганизмы способны использовать только растворенный кислород.

В то время как минеральные соли и органические вещества можно добавлять к среде в концентрациях, обеспечивающих рост бактерий на протяжении нескольких часов и даже жней, с молекулярным кислородом этого сделать нельзя, т.к. растворимость его очень мала. Литр воды, например, находящийся при температуре 20^о содержит всего лишь 6,2 мл или 0,28 моль О_{2 .} Такого количества достаточно для окисления не более 8,3 мг, или 0,046 ммоль глюкозы (т.е. примерно одной тысячной общего количества глюкозы, содержащейся в обычных питательных средах). Поэтому в среде невозможно создать значительный запас О₂ – кислород приходиться добавлять непрерывно.

Скорость перехода молекулярного кислорода в раствор возрастает с увеличением поверхности раздела между газовой и жидкой фазами и с повышением порциального давления О₂ в газовой фазе. Для аэрации жидких культур пользуются либо обычным воздухом, либо смесью О_2, N₂ и СО₂.

Перемешиванием достигают не только гомогенности бактериальной суспензии в ферментере, но и увеличения поверхности раздела между газовой и жидкой фазами. Газы подаются в нижнюю часть ферментера, непосредственно под мешалку с тем, чтобы обеспечить их равномерное распределение по всей массе культуры. Скорость перемешивания и объем подаваемого воздуха необходимо регулировать так, чтобы концентрация растворенного кислорода никогда не падала бы ниже 10-15% начальной насыщающей его концентрации. Поддержание концентрации растворенного в среде кислорода на уровне выше 10% насыщения при соответствующей температуре позволяют выращивать большинство бактериальных культур в таких условиях, когда кислород не является субстратом, лимитирующем их рост.

Для установления в культуральной среде требуемой концентрации кислорода можно изменить как скорость ее перемешивания, так и скорость подачи воздуха. Скорость подачи воздуха измеряют специальными приборами – ротаметрами, а количество растворенного кислорода – датчиками растворенного кислорода. Эти приборы позволяют оператору управлять концентрацией растворенного кислорода как независимым параметром культивирования.

Воздух, или другой газ, поступающий в ферментер, должен предварительно стерилизоваться. Наиболее простой способ стерилизации заключается в физическом удалении микроорганизмов фильтрацией воздуха через волокнистые фильтры. В большинстве ферментеров используются заполненные стеклотканью трубчатые фильтры, но иногда применяют мембранные фильтры. В лабораторных условиях для этого можно с успехом использовать вату. В любом случае фильтры следует регулярно менять, чтобы обеспечить стерильные условия. Перед первым употреблением фильтры стерилизуют в течение 2х часов при Т=170-190^о.