1.2 Биореактор

Основным оборудованием для культивирования является биореактор (ферментатор). Основной функцией биореакторов является обеспечение условий для роста микроорганизмов, клеток животных и вирусов в заданных условиях. Следовательно, основной задачей при использовании биореакторов является обеспечение его надежности при культивировании в течение периода от нескольких часов до многих дней. Конструкции биореакторов различны.

Обычно ферментер изготавливают из высококачественной нержавеющей стали, так что он не подвержен коррозии и не выделяет в среду токсичные соли металлов. Все используемое оборудование, материалы и воздух должны быть стерильными. Оборудование стерилизуют паром под давлением. Пар должен иметь доступ ко всем поверхностям, которые в свою очередь должны быть гладкими и отполированными, насколько это возможно, и не иметь трещин и неровностей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Среду стерилизуют перед инокуляцией, пропуская пар через систему охлаждения. Воздух стерилизуют путем фильтрации.

Биореакторы должны быть достаточно простыми в обслуживании: работа отдельных узлов необходимо контролировать. Должны регулироваться отдельные физико-химические параметры культивирования (температура стерилизации и культивирования, рН, еН, рО₂, рСО₂, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, пенообразование). Соответствующая гидродинамическая обстановка в биореакторе, а следовательно и процессы тепло-и массообмена, поддерживаются с помощью специальных конструкции и перемешивающих устройств, диспергаторов газа и наличие отражательных перегородок. Кроме того, важное значение имеют геометрические соотношения отдельных элементов биореактора.

Рисунок 2 – Биореактор

2 Питательные среды

2.1.Принципы составления питательных сред

Всем организмам присущ постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой. Для осуществления процессов питания и размножения необходимы определенные условия и, в первую очередь, наличие питательных веществ, из которых микробы синтезируют составные части своего тела и получают, путем окисления различных веществ, необходимую энергию.

Конструируя питательные среды для любых микроорганизмов и иных живых существ, необходимо помнить, что по своему составу и свойствам они должны быть максимально приближены к условиям естественного обитания микроорганизма, не должны от них сильно отличаться. Именно поэтому, все современные принципы и условия разработки питательных сред основываются, прежде всего, на изучении основных питательных потребностей микроорганизмов. Так как у каждого вида микроорганизмов существует своя подходящая только данному виду питательная среда, то возможность создания единой и универсальной среды практически исключена.

Питательные среды различаются по назначению, консистенции и составу. По назначению их условно подразделяют на две основные группы — диагностические и производственные среды.

Диагностические питательные среды включают пять подгрупп: среды для выращивания широкого спектра микроорганизмов; среды для выделения конкретного возбудителя; дифференциальные среды, позволяющие различать отдельные виды микроорганизмов; среды для идентификации микроорганизмов и накопительные среды, предназначенные для обогащения конкретного вида микроорганизмов. К числу производственных относятся питательные среды, используемые при промышленном изготовлении медицинских биологических препаратов (бактериальных вакцин, анатоксинов и др.) и контроле их качества. Питательные среды для производства бактерийных препаратов в отличие от диагностических сред не должны содержать вредных для человека примесей и оказывать отрицательного влияния на процесс производства (не препятствуя, в частности, удалению из изготавливаемых препаратов продуктов микробного метаболизма, балластных органических и минеральных веществ).

По консистенции различают жидкие, плотные и полужидкие среды. Плотные и полужидкие питательные среды готовят из жидких посредством прибавления к ним агара или (реже) желатина.

По составу питательные среды делят на простые и сложные. Простые питательные среды обеспечивают питательные потребности большинства патогенных микроорганизмов (мясопептонный бульон, мясопептонный агар, бульон и агар Хоттингера, питательный желатин, пептонная вода и др.). К сложным относят специальные среды для микробов, которые не растут на простых питательных средах. Такие среды готовят, прибавляя к простым средам кровь, сыворотку, углеводы и другие вещества, необходимые для размножения того или иного микроорганизма. Сложными питательными средами являются и дифференциально-диагностические среды, например среды Гисса с углеводами и индикатором, применяемые для определения видовой принадлежности исследуемого микроба по его ферментативной активности. Некоторые сложные среды, так называемые селективные, или элективные, используют для целенаправленного выделения одного или нескольких видов микроорганизмов путем создания оптимальных условий их выращивания и угнетения роста сопутствующей микрофлоры. Например, висмут-сульфитный агар — строго селективная среда для выделения сальмонелл, агар и среда Левина — слабоселективные среды для выделения энтеробактерий.

В зависимости от состава исходных компонентов различают также среды синтетические, полусинтетические и природного (натуральные) происхождения. Синтетические среды, составные части которых точно известны, и несколько в меньшей степени полусинтетические удобны и используются главным образом для изучения физиологических процессов микроорганизмов. Применение сред такого типа позволяет определить минимальные потребности отдельных микроорганизмов в питательных веществах и, исходя из этого, создать питательные среды, содержащие лишь те соединения, которые необходимы для роста данного микроба. Преимуществом синтетических питательных сред является также их стандартность, однако использование этих сред ограничено из-за высокой стоимости и сложности состава многих из них.

При подборе состава питательных сред для культивирования микроорганизмов следует учитывать множество факторов. Один из них связан со стехиометрией роста микроорганизмов и количеством биомассы, которое необходимо получить в процессе культивирования. Основой расчетов является материальный баланс, связанный с превращением в процессе клеточного роста низкомолекулярных органических и неорганических соединений в биомассу. Для синтеза заданного количество биомассы в системе культивирования необходимо ввести достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном соотношении.

Следует учитывать, что питательные среды помимо содержания питательных веществ, должны иметь необходимую и подходящую концентрацию водородных и гидроксильных ионов. Так как на изменение потребностей в факторах роста способны влиять температура и рН. Много для питательной среды значит влажность и изотоничность. Изотонические растворы - это искусственно приготовленные растворы, но со схожим осмотическим давлением с содержимым животных и растительных клеток. Чистые культуры микробов необходимо выращивать в стерильной среде.

Методы контроля очень важны в производстве питательных сред. Один из основных показателей качества в этом производстве - урожайность среды, то есть своеобразная способность накопления максимального количества биомассы полноценных по свойствам микроорганизмов. Нельзя забывать и о показателе чувствительности – то есть способности обеспечить рост микроорганизмов в максимальных разведениях культуры возбудителя. Конечно, показателей, используемых для оценки качества питательных сред, достаточно много, все зависит от того, для чего необходима питательная среда. Уже много лет, при решении вопросов, связанных с качеством питательных сред, используются единые методы стандартизации.

Удовлетворение питательных потребностей микроорганизмов

Выбор сырьевых источников для конструирования питательных сред

Дифференциация питательных сред по целевому назначению

Оптимизация питательных сред

Стандартизация питательных сред

Рисунок 3- Принципы, лежащие в основе конструирования производственных питательных сред

Для синтеза заданного количества биомассы в систему культивирования необходимо достаточное количество питательных веществ (реагентов), взятых в определенном отношении.