Тема 3. Периодическое глубинное культивирование микроорганизмов

Периодическое глубинное культивирование представляет собой закрытую систему, в которой скорость роста биомассы стремится к нулю из-за исчерпания субстрата и накопления ингибиторов. Такие системы всегда находятся в неустойчивом состоянии.

Фазы роста.

1. Лаг-фаза или индукционный период начинается после посева (инокуляции) в питательную среду микроорганизма и является периодом их адаптации. Во время этой фазы происходит реорганизация микро молекулярных и макромолекулярных составных частей микробной культуры, синтез или подавление ферментов или структурных компонентов клетки. Данная фаза, в зависимости от внешних условий, может быть короткой или довольно длинной. Во время этой фазы клеточная масса может изменяться без изменения числа клеток.

2. Лаг-фаза переходит в фазу экспоненциального роста. Это - период, быстрого накопления биомассы и продуктов реакции. Описывается экспоненциальной кривой.

3. Фаза линейного роста характеризуется сбалансированностью роста в установившемся состоянии, т.е. скорость роста остается постоянной на протяжении всего процесса культивирования, а химический состав культуральной жидкости изменяется, поскольку потребляются питательные вещества и вырабатываются продукты метаболизма. Как следствие этого, окружающая микроорганизмы среда непрерывно изменяется, но скорость роста в широком диапазоне концентраций питательных веществ не зависит от них.

4. Фаза линейного роста сменяется периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля - это фаза замедления роста.

5. Далее рост культуры может переходить в достаточно устойчивую стационарную фазу, при этом скорость гибели микроорганизмов компенсируется скоростью прироста биомассы.

6. При полном истощении питательной среды (субстрата) и значительном накоплении ингибирующих рост продуктов происходят существенные физиологические изменения культуры (лизис) и наступает так называемая фаза отмирания культуры.

Закономерности размножения микроорганизмов при периодическом культивировании. Основные положения обратимого равновесного автокаталитического роста популяции микроорганизмом можно сформулировать следующим образом:

- размножение микроорганизмов определяется протеканием двух противоположных процессов - образования и гибели клеток, т.е. синтеза и деструкции;

- скорость образования микроорганизмов (синтеза биомассы) пропорциональна все увеличивающейся в процессе их культивирования концентрации X и уменьшается с уменьшением концентрации лимитирующего субстрата S;

- скорость отмирания клеток (деструкции биомассы) пропорциональна квадрату их концентрации;

- концентрация питательных веществ, необходимых для размножения микроорганизмов, определяется содержанием в питательной среде одного или нескольких лимитирующих компонентов;

- продукты лизиса погибших клеток (Sx) в кинетическом отношении (количественно, но не качественно) эквивалентны исходному субстрату;

- процесс размножения в условиях периодического способа культивирования заканчивается установлением равновесия, при котором скорости синтеза и деструкции биомассы равны, а поэтому концентрации микроорганизмов и субстрата не меняются во времени.

Компоненты питательной среды по характеру их превращения в процессе размножения и влиянию на кинетику роста популяции можно разделить на две группы:

- вещества, которые при включении в структуру клеток и последующем лизисе погибших клеток не претерпевают изменений, и не исключают возможность их повторного использования в метаболическом обмене при образовании новых микроорганизмов;

- вещества, которые в процессе синтеза биомассы претерпевают такие превращения, что их повторное использование микроорганизмами в качестве субстрата невозможно.

Таким образом, кинетическая эквивалентность исходного субстрата и продуктов лизиса погибших клеток в реальной системе клетка-среда может иметь место, если величина субстрата связана с концентрацией в питательной среде веществ, относящихся к первой группе, что и предполагалось при построении модели обратимого равновесного автокаталитического роста популяции.

Продуктивность периодических процессов культивирования. Объемная продуктивность выражается в граммах того или иного продукта на литр среды в час (или количества микробных тел) и служит мерой общей «полезности» процесса. При периодическом процессе культивирования расчет продуктивности должен вестись на все рабочее время, в которое необходимо включать не только время собственно культивирования, но и время, необходимое для того, чтобы освободить биореактор от предыдущей загрузки, промыть его, простерилизовать, заполнить новой партией среды и снова простерилизовать эту среду с биореактором. Необходимый для этого период времени может быть как коротким (например, 6 ч при производстве дрожжей), так и довольно длинным (например. 20 ч при производстве антибиотиков).