Микроорганизмдерді үздіксіз култивирлеу
Периодты культивилеуде микроорганизмдердің максимальды өсу қабілеті толық қолданылмайды. Өмір сүрудің ең активті кезеңі – логарифмдік фаза - өндірістік циклдің азырақ бөлігін алады, ал уақыттың көп бөлігі лаг фазаға кетеді және өсудің жәймен өсетін кезеңіне өтеді.
Периодты культивирлеу кезінде жасушалар барлық уақыт бойы ауыспалы жағдайда болады. Алдымен қоректік ортаға дер кезінде мол мөлшерде қоректік заттарды енгізсе, жасуша өсуінің ингибирленуі сонда өмір сүруші микроорганизм өнімнің жиналуы және қоректенудің жетіспеуі басталады. Егер қоректік ортаға бірден мол мөлшерде қоректік зат қосса, онда культураның өсуінің ингибирленуі болады, демек микроорганизмдердің катаболиттік репрессиясы деп аталады. Қоректік затты жаймен қосудың арқасында микроорганизм өсуінің ингибирленуінен құтылуға болады. Осы мөлшердегі қоректік заттарды енгізу процесі кезінде микроорганизмдердің өсуінің ингибирлеруін болдырмауға болады. Бұл әдіс субстраты аздап мөлшерлеумен микроорганизмдерді культивирлеу деп аталады.
Культивирлеу барысында қоректену көздерін қосу кезінде қоректік ортаның көлемі өзгереді. Орта көлемін қалыпты және ортадағы өмір сүруші микроорганизм өнімдерінің концентрациясын төмендетіп ұстап тұру үшін, культуральды сұйықтықтың бір бөлігін белглі бір уақыт аралығында аппараттан алып тастауға болады. Мұндай периодты культивирлеу процесті «көлемді-мөлшерлеуіш» деп атайды. Мұның алдыңғы әдістен айырмашылығы, культураның бөлігі периодты түрде жаңа ортаға түскен сайын алынып тасталынып отырады. Берілген жағдайда процестердің негізгі параметрлер – көлемі, араластыру жылдамдығы, өсудің меншікті жылдамдығы – тұрақты болып есептелмейді культура квазистационарлы(мнимостационарлы) жағдайда болады.
Субстратты аздап мөлшерлеуде периодты культивирлеудің тағы бір әдісі бұл – диализдеуші мембрана арқылы лимиттеуші субстраттың келуін бақылаушы процесс. Егер аппаратқа мембрана орнатқанда, сол арқылы тек белгілі бір заттар ғана енеді, мембранадан бөлінген, ерітіндіден еріген зат диффузиясы арқасында ортадағы оның концентрациясы тұрақты ұсталынып тұрады. Бұл әдісті шектелген субстрат продуцентінің өсуі үшін қолдануға болады немесе биомассаны концентрлеу үшін, субстратты аздап мөлшерлеуіш периодты культивирлеу үшін, даму фазасынан популяцияға келу уақытының көбейтуіне мүмкіндік береді. Бірақ жасушалардың физиологиялық күйін тұрақтандыруды уақытқа байланыстырмай, осы әдіспен жүзеге асыру мүмкін емес.
Микроорганизмдерді үздіксіз культивирлеу жағдайлары
Үздіксіз культивирлеу химиялық технологиядан микробиологиялық культивирлеуге ауысты. Ағымдағы культивирлеу принципі микроорганизм көбейетін сосудқа жаңадан қоректік ортаны беріп отырады және бір мезгілде осындай көлемде культура шығарылып отырады. Бұл принципке үздіксіз культивирлеудің екі түрлі процесі ұйымдастырылған: толығымен ығыстыру процесі және толығымен араластыру процесі жатады. Үздіксіз культивирлеу периодты культивирлеуге қарағанда артықшылығы бар, үздіксіз процестің әр сатысының арнайы аппараттары бар: өнім сапасын жақсартуға, мүмкіндігі бар, микроорганизмдерді культивирлеу уақытын тұрақты ұстап тұруғак мүмкіндігі бар, ең негізгісі автоматтандыру мүмкіндігі бар.
Үздіксіз культивирлеу, экспоненциалды даму фазасында микроорганизмдердің тіршілік етуін ұстап тұру үшін ферментерге белгілі мөлшерде және сапалы қатынаста қоректік заттарды үздіксіз беріп отыру болып табылады. Мұндай жағдайларда қозғалмалы күйден тепе – тең күйге жеткізеді, бұл кезде жасушалардың үздксіз жағдайда және бірдей жылдамдықпен көбеюі, қоректік заттардың келу жылдамдығымен сәйкес болады. Культивирленетін жасушалар қоректік заттар мен үнемі қамтамасыздандырылуына қарамастан культуралды сұйықтықта іс жүзінде олар мүлдем жоқ, демек ағып өтетін сұйықтықта жоқ деген сөз.
Үздіксіз культивирлеудің аса маңызды сипаттамасының бірі ол араластыру жылдамдығы, демек ферментердегі қоректік ортаның алмасу жылдамдығы. Егер культиватордың көлемін (V/л), ал ортаға келу жылдамдығы – ағын жылдамдығы F(л/сағ) деп белгілесек, онда араластыру жылдамдығы D(сағ-1) тең болады:
D=F/V
Микроорганизмдердің өсуінің меншікті жылдамдығы:
Осыдан
культивирлеу кезіндегі микроорганизмдердің
тез өсуі мынаған тең:
Үздіксіз культивирлеу жағдайында биомассаның тез арада өсуі μх, оның орта мен Дх, кетуімен қамтамасыздандырылады,
яғни μх – Dх> 0 немесе (μ-D)х>0
Осыдан : μ=D
Бұл теңдеу микроорганизмдерді үздіксіз культивирлеу кезінде орныққан тепе-теңдікті ұстап тұрудың негізгі шарты. Бұл кезде барлық технологиялық және физиологиялық көрсеткіштер тұрақты болып сақталады. Технологиялық көрсеткіштерге культуральды сұйықтық компоненттерінің концентрациясы, ал физиологиялық – жасушаның өсу жылдамдығы және олардың құрылымдық -биохимиялық ерекшеліктері жатады.
6 сурет - Периодты процестен үздіксіз процеске ауысқанда жасуша
концентрациясының ауытқуын сипаттаушы қисық.
І-активтелу сатысы; ІІ-стабилизациялау сатысы.
Ескере кету керек, үздіксіз культивирлеу кезіндегі берік күйдегі жағдай бірден пайда болмайды. Бөлу процесі басында байқалады, сол кезде биомассаның концентрациясы тепе-теңдік күйге жақын болады, бұл графикалық қисық толқын сызығымен сипатталады, олар жаймен түзу сызыққа өтеді (6-сурет). Кейде бұл кезеңді екі сатыға бөледі: І активтелу және ІІ стабилизациялау сатысы .