Особенности выращивания микроорганизмов в проточных культурах
Идеальные условия существования микробных культур в природе случаются чрезвычайно редко и в течение непродолжительного времени. В промышленности и в лабораторных условиях, контролируемых человеком, удается создавать оптимальные условия, позволяющие микробным культурам длительно расти с постоянной удельной скоростью роста. Для этого необходимы прежде всего постоянный приток свежей питательной среды, удаление образующихся продуктов обмена и избытка микробной биомассы, тщательное перемешивание среды, а для аэробных культур—еще и достаточная концентрация кислорода. Все эти условия могут быть выдержаны только при культивировании микроорганизмов в проточных культурах. Проточные культуры в последние годы завоевывают все большее признание и получают все большее распространение.
В проточных культурах вследствие непрерывного поступления свежих порций питательной среды в культиваторе образуется избыток культуральной жидкости, который вместе с содержащимися в ней микроорганизмами непрерывно удаляется. Если вместе с вытекающей культуральной жидкостью удаляется больше клеток, чем нарастает, то концентрация микроорганизмов в культиваторе снижается. При слишком медленном оттоке жидкости концентрация клеток в приборе возрастает. Наконец, можно подобрать такую скорость притока, при которой вынос клеток будет равен скорости их размножения. Если при этом биомасса в культиваторе будет оставаться постоянной и прирост тоже будет постоянным, то и удельная скорость роста культуры останется неизменной. Это означает, что культура все время будет находиться в состоянии интенсивного размножения.
Скорость увеличения биомассы в проточных культурах можно представить уравнением
где m—концентрация клеточной биомассы (в единицах массы или в количестве клеток) в 1 мл; μ — удельная скорость роста; D—коэффициент разбавления.
Коэффициент разбавления зависит от скорости притока свежей среды F и от объема жидкости в культиваторе W. Он равен:
Если
скорость притока превышает удельную
скорость роста, т. е. если D>μ, то
величина—
становится отрицательной и содержание
микроорганизмов в культиваторе падает.
Если D<μ, это означает, что в культиваторе
вновь образуется больше клеток, чем
выносится. Если же вынос клеток равен
их приросту, то
=0,
и количество микроорганизмов в
культиваторе поддерживается на постоянном
уровне.
Между приростом клеток в культиваторе и их выносом устанавливается подвижное равновесие. Чем больше клеток накапливается в культиваторе, тем хуже условия их существования: уменьшается количество питательных веществ, накапливаются продукты обмена, ухудшаются условия аэрации. Все это приводит к снижению прироста биомассы, т. е. к уменьшению μ. Вследствие снижения прироста количество клеток в культиваторе снижается настолько, что условия для их жизни улучшаются, и μ, снова возрастает. Таким образом, после некоторых колебаний μ устанавливается на некотором уровне, который определяется условиями существования, в данном конкретном случае—скоростью притока питательной среды. Механизм зависимости скорости роста микроорганизмов от условий существования и является основой для саморегуляции, свойственной проточным культурам.
При культивировании на протоке микробная культура может сохраняться неопределенно долгий срок. В лаборатории Н. Д. Иерусалимского культуру ацетоно-бутиловых бактерий сохраняли около 200 дней в состоянии непрерывного размножения. Последующее выращивание этой культуры в непроточных условиях показало, что все свойства культуры сохранились.