1. Хемостатный способ культивирования

Хемостатное культивирование основано на том, что в простейшей форме рост бактерий можно предоставить как совокупность реакций, в которых скорость роста культуры определяется самой медленной реакцией метаболизма. Хотя в растущей культуре осуществляется метаболизм многих питательных веществ, скорость роста культуры в любой момент времени определяется скоростью метаболизма лишь одного питательного субстрата. Тот субстрат, или тот компонент питательной среды, метаболизм которого осуществляется медленнее всего и который таким образом определяет скорость роста бактериальной культуры, принято называть лимитирующим фактором.

Каким же образом скорость роста культуры зависит от концентрации лимитирующего субстрата? Эту зависимость установил Моно и выразил её следующей формулой:

УРАВНЕНИЕ МОНО

µ =µ_мах*

где:

µ - удельная скорость роста

µ_{мах – максимально возможная скорость роста в данной среде}

S – концентрация лимитирующего субстрата в среде

K_s – константа Моно или константа насыщения. Она численно равна концентрации лимитирующего субстрата, замедляющей вдвое µ_{мах (т.е. =} S при µ=µ_мах)

Совершенно очевидно, что концентрация лимитирующего фактора или субстрата в среде ограничивает и концентрацию вырастающей биомассы. В случае полного использования лимитирующего фактора рост и размножение бактериальных клеток прекращается. Концентрация биомассы в ферменте в стационарном состоянии культуры определяется по формуле:

Х =

где:

y – экономический коэффициент, или доля потребленного субстрата, пошедшего на синтез биомассы

S_{0 – концентрация} субстрата в поступающей среде

S – концентрация субстрата в ферментере

Концентрацию субстрата в ферментере в стационарном состоянии культуры определяют по формуле:

S =

где:

K_s – константа Моно

D _{– коэффициент разбавления или скорость} разбавления

S – концентрация субстрата в ферментере

µ_{мах – максимально возможная скорость роста}

Скорость разбавления, или коэффициент разбавления (D) при хемостатном культивировании известен. Он равен:

D=

где:

F – скорость потока

V _{– объем культуры}

Величина обратная скорости разбавления характеризует время полной замены имеющейся в ферменте среды новой или, что одно и то же, время пребывания в ферментере каждого компонента питательной среды:

t=

Таким образом, следует рассматривать количественные зависимости, существующие между:

• концентрацией биомассы – Х,

• концентрацией лимитирующего субстрата – S

• скоростью роста - µ

Графически эта зависимость характеризуется хемостатной кривой, которая выглядит следующим образом:

1.Концентрация биомассы

2.Концентрация субстрата

На приведенной кривой видно, что при увеличении скорости разбавления снижается концентрация биомассы и увеличивается концентрация субстрата. Причем, если вести дельнейшее увеличение скорости разбавления, то концентрация (Х) стремится к 0, т.е. при некотором значении (D) биомасса полностью вымывается из фермента. Эту скорость разбавления назначают критической (D_кр.) или скоростью вымывания клеток. Теоретически D_кр= µ_мах

Но поскольку концентрация лимитирующего субстрата в аппарате (S) не может быть больше концентрации его в поступающей среде (S₀), то:

D_кр= µ_мах*

Производительность фермента по выходу (урожаю) биомассы рассчитывают следующим образом:

R=DX

Зная основные константы K_s, µ_мах и y можно легко рассчитать параметры культуры (Х) и для любого значения при µ=D

Итак, хемостатное культивирование – это вариант непрерывного проточного культивирования с заданным желаемым коэффициентом разбавления (D), к которому подстраивается скорость роста культур µ. Последняя может быть минимальной или близкой к максимальной. При этом задается также фактор (лимитирующий фактор, лимитирующий субстрат, или компонент питательной среды), который обуславливает ограничение концентрации биомассы. Концентрация биомассы определяется одним определенным компонентом питания.

Хемостатный метод культивирования незаменим в лабораторных исследованиях физиологии микроорганизмов и клеток тканей. В промышленности он применяется при наращивании микробной биомассы, если известно, какой именно фактор ограничивает рост.