3.6. Культивування мікроорганізмів у виробничих умовах

Оптимальні умови культивування мікроорганізмів визначаються такими чинниками:

• дозування і вік посівного матеріалу;

• повноцінність живильного середовища, а при поверхневому культивуванні – також його вологість;

• витрата повітря на аерування;

• своєчасне відведенням метаболітів і фізіологічного тепла;

• значення pH середовища;

• температура культивування;

• окисно-відновний потенціал середовища;

• тривалість культивування.

Технологічний процес поверхневого культивування мікроорганізмів у виробничих умовах здійснюють:

• періодично – вирощуванням продуцентів ферментів кюветним способом;

• безперервно – культивуванням мікроорганізмів у механізованих установках різного типу.

Кюветний спосіб культивування мікроорганізмів

Сипкі компоненти живильного середовища пневмо­транспортом подають у стерилізатор, обладнаний мішалкою, паровим кожухом і лініями підведення стерильного повітря і пари. Після закінчення стерилізації середовище у стерилізаторі дозволожують стерильною і охолодженою водою. У стерилізатор подають 9%-й розчин соляної кислоти і суспензію посівного матеріалу.

Засіяне середовище переносять у чисті стерильні кювети. Кювети заповнюють шаром зволоженого сипкого ЖС товщиною 2-2,5 см і розташовують на багатоярусних рухомих етажерках або стаціонарних стелажах у вирощувальних камерах, де за допомогою кондиціонерів підтримують визначені температуру і відносну вологість повітря.В одній вирощувальній камері встановлюють 16-20 етажерок з 18 кюветами у кожній. Найчастіше вирощувальна камера має форму довгого вузького коридору. Кожна камера має окремі вхід і вихід. На вході камера з’єднана зі стерильним коридором, з якого її завантажують кюветами з засіяним середовищем, а на виході – з розвантажувальним коридором, яким з камер транспортують кювети з готовою культурою. Перед завантаженням вирощувальну камеру миють і дезінфікують. Навантаження на 1 м³ камери становить від 7,5 до 18 кг живильного середовища (у перерахунку на сухі речовини).

Вирощену культуру в кюветах транспортують на етажерках до дробарки, звідки її спрямовують на одержання технічного ферментного препарату у вигляді сухої культури або на подальшу переробку для одержання очищених ферментних препаратів. При тривалості культивування 20-72 год, повний технологічний цикл триває 36-90 год і залежить від виду продуцента.

Збільшення висоти шару середовища з 2-2,5 до 30-50 см в процесі вирощування – один з основних напрямків підвищення продуктивності обладнання. Процес ведуть у вертикальному циліндричному апараті, розділеному на секції перфорованими пластинами, закріпленими консольно на поворотних осях. Всередині апарату між рядами пластин розташовані перемішуючі пристрої періодичної дії. Теплота, що виділяється в процесі культивування, відводиться з допомогою теплообмінних пристроїв. Середовище завантажується у верхню частину апарату, а виводиться знизу. Апарат стерилізують під тиском 0,3 МПа протягом 1,5-2 год.

При вирощуванні культури повітря рухається не вздовж поверхні шару середовища, а поширюється на весь об’єм, виникає режим об’ємної аерації, при якому забезпечується конвективний і дифузійний теплообмін по всій висоті вирощуваної культури.

У цій схемі використовується обладнання, аналогічне за будовою до апаратів для глибинного культивування мікроорганізмів. Механізована установка повинна мати таку конструкцію, щоб у випадку розвитку інфекції можна було без зупинки лінії здійснити стерилізацію і негайне вивантаження зараженого живильного середовища

Інші механізовані установки передбачають проведення процесу в безперервному потоці (установки Джеффріса і Христіансена) або циклічну роботу обладнання з його обов’язковою стерилізацією після кожного циклу вирощування (механізована установка Андеркофлера).

Глибинне культивування мікроорганізмів у виробничих умовах

Глибинний спосіб культивування ґрунтується на вирощуванні мікроорганізмів, занурених і рівномірно розподілених у рідкому живильному середовищі. Цей спосіб вимагає вищої культури виробництва, контролю за процесами приготування і стерилізації живильного середовища, очистки повітря, що надходить на аерацію, культивування.

Глибинне культивування мікроорганізмів має ряд переваг перед поверхневим і дозволяє:

• значно зменшити виробничі площі;

• повністю автоматизувати і механізувати процес;

• перейти на безперервне культивування;

• покращити санітарно-гігієнічні умови праці.

При глибинному культивуванні раціональніше використовуються живильні речовини середовища. Це дозволяє значно зменшити кількість відходів виробництва і одержувати ферментні препарати з меншим вмістом домішок та вищою питомою активністю.

Глибинне культивування мікроорганізмів здійснюють періодичним і безперервним способами.

Глибинне культивування мікроорганізмів здійснюється у ферментаторах – герметичних вертикальних циліндричних апаратах зі сферичними кришкою і днищем. Ферментатори обладнуються штуцерами для подачі середовища, стерильної води, посівного матеріалу, повітря, пристроями для піногасіння, перемішування і підтримання необхідної температури культивування. Об’єм ферментаторів становить до 100 м³. Для виготовлення ферментаторів великого об’єму найчастіше застосовується нержавіюча сталь марок Х18Н10Т, ОХ21Н21Т, ОХ21Н6М2Т, Х14Г14Н3Т.

Конструкція перемішуючих і аеруючих пристроїв, якими обладнаний ферментатор, повинна забезпечувати рівномірний розподіл повітряних потоків по всьому об’єму рідини в апараті та створення максимально розвинутої поверхні фазового контакту. Найпоширеніші аеруючі пристрої барботажного і вихрового типів. У першому випадку у ферментатор повітря надходить через труби з невеликими отворами в нижній частині апарату, в другому – вихор створюється за допомогою подачі повітря через інжектори або форсунки чи керамічні пластини. Для збільшення тривалості перебування бульбашок повітря у об’ємі рідини на стінках ферментатора встановлюютьсявідбійники, які покращують турбулізацію рідини і розчинення повітря.

Розміри відбійників повинні становити не більше, ніж 0,1-0,12 діаметру ферментатора. Для перемішування середовища використовують одно- та багатоярусні пропелерні, турбінні, дисково-пропелерні мішалки.

Теплота, що виділяється в процесі культивування, відводиться за допомогою теплообмінних пристроїв. Теплообмінні пристрої можуть бути зовнішніми (кожухи, змійовики) і внутрішніми (змійовики). З технологічного погляду зручніше застосовувати кожух – це полегшує миття і стерилізацію апарату. В апаратах великої потужності часто поєднують зовнішні та внутрішні теплообмінні пристрої.

Технологія глибинного культивування аеробних і анаеробних мікроорганізмів майже не відрізняються одна від одної, за винятком того, що в схемах культивування анаеробів виключається стадія підготовки повітря і використовуються ферментатори без аеруючих і перемішуюючих пристроїв.

Сухі компоненти середовища надходять у змішувач для приготування виробничого живильного середовища. Сюди ж надходять вода і рідкі компоненти через відповідні дозатори та мірники.Для розчинення солей і клейстеризації крохмалю середовище нагрівають. Готове нагріте середовище надходить у нагрівач безперервного стерилізатора живильного середовища і спіральний витримувач для витримування при температурі 140^оС. Стерильне живильне середовище охолоджується в теплообміннику і надходить в чистий стерильний ферментатор, який заповнюється на 65-75% залежно від піноутворення під час росту культури. Туди ж надходить посівний матеріал. У процесі культивування здійснюється аерування вирощуваної культури кондиційованим стерильним повітрям.

Готова культуральна рідина надходить в теплообмінник для охолодження і далі на фільтрувальну установку для відділення біомаси і нерозчинного осаду середовища від рідкої фази.