Способы культивирования микробных клеток

Существуют два способа культивирования микробных клеток: периодический и непрерывный. При периодическом способе культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма микроорганизмов. Культивирование, под которым понимается развитие популяции микробов в специальном аппарате, осуществляется большей частью с использованием жидких питательных сред. Схема и основные элементы конструкции типового культиватора для глубинного выращивания микробов представлены на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема и основные элементы конструкции ферментера

Аппарат снабжен электродвигателем 1 и редуктором 2 для вращения вала, на котором установлена трехъярусная турбинная мешалка 6. Ввод вала перемешивающего устройства герметизирован с помощью торцового уплотнения 3. Отражательные перегородки 5 предотвращают вращательное движение культуральной жидкости и улучшают массообмен. Для отвода тепла, выделяющегося при культивировании и перемешивании мешалкой, предусмотрены теплообменные устройства в виде секционной рубашки 7 и змеевиков 8. Воздух на аэрацию подается через трубу 4, снабженную барботером.

Это так называемый глубинный или суспензионный метод культивирования. При изучении процесса развития популяции микробов основной наблюдаемой величиной является концентрация микроорганизмов.

Рисунок 3 – Кривая роста популяции микробов при периодическом культивировании

Процессы роста и развития популяции микробов в периодически действующем аппарате протекают в несколько стадий. Типичная кривая изменения концентрации микробов X от времени τ приведена на рис. 3.

Кривая роста популяции микробов при периодическом культивировании.

S- образный характер этой кривой является универсальным и не зависит от вида микроба и условий культивирования.

Различают следующие основные стадии развития популяции микробов: начальную, рост, равновесие, отмирание.

В свою очередь каждая из этих стадий может быть разделена на несколько фаз. На первой стадии, которая начинается с посева в питательную среду, в первый момент может наблюдаться некоторое снижение концентраций микробов (латентная фаза - I). Затем содержание биомассы возрастает, сначала в результате роста только объема клеток, а затем и вследствие увеличения их количества (лагфаза и фаза ускорения роста - II). Стадия роста включает фазу экспоненциального (логарифмического - III) роста и фазу замедления роста. Затем наступает стадия равновесия (максимально стационарная фаза - IV) и отмирания (гибели) популяции, последняя представляет интерес в случаях, когда целевой продукт выделяется в результате разрушения (лизиса) клеток.

Н.Д.Иерусалимским была предложена математическая модель зависимости коэффициента скорости роста от концентрации продуктов обмена, которая описывает S-образную кривую роста:

S Kp

μ = μ _max ^..--------- ^..-------------- (4)

Ks + S Kp + P

где: S- концентрация субстрата, кг/м³;

К_S- константа насыщения, кг/м³;

μ _мах - максимально удельная скорость роста, ч^-1;

Р – концентрация ингибирующего продукта обмена в культуральной жидкости, кг/м³;

К_р – константа, кг/м³.

Физический смысл константы К_р заключается в том, что К_р= Р при μ =0,5 μ _мах, т. е. К_р – это такая концентрация ингибирующего продукта, при которой в условиях высокой концентрации субстрата удельная скорость роста достигает половины своего максимального значения.

Некоторые микробы лучше развиваются на плотных питательных средах и такой метод культивирования, называется поверхностным. Поверхностный метод менее технологичен и применяется в исключительных случаях, когда нельзя воспользоваться глубинным методом.

При непрерывном способе культивирования требуется глубокое знание процесса и его кинетики. При непрерывных процессах больше возможностей для специализации аппаратуры на отдельных стадиях технологии и контроля качества продукта. Кроме того, в аппаратах полного смешения возможно сохранять постоянными параметры процесса и тем самым стабилизировать культуру в желательном для производства физиологическом состоянии.

Условия культивирования микробов в непрерывно действующем аппарате более благоприятны, чем в периодическом. В первом случае среда все время обновляется, поэтому не наблюдается изменений концентрации веществ в результате жизнедеятельности микробов. Поток среды отрегулирован так, что концентрации веществ, биомассы и продуктов обмена поддерживаются постоянными.