Үздіксіз культивирлеу процесіндегі микроорганизмдердің өздігінен реттелу қабілеті
Үздіксіз культивирлеуде араластыру жылдамдығы кезінде меншікті өсу жылдамдығы мен тепе-теңдік жағдайдағы режимді орнатуды бақылау және қоректік ортаның ағып келуін ұстап тұру қажет. Бірақ үздіксіз культивирлеу жүйесіндегі микроорганизмдер өздігінен реттеуші қабілетке ие.
Егер де қабылданған режим араластыру жылдамдығы есебінен бұзылса, онда жүйеде қандай өзгерістер тууы мүмкін? Қоспаның құрамы немесе қоректік ортаның берілу жылдамдығы өзгерген кезде жүйе тепе-теңдік күйден шығып, олардың параметрлерінде бір-бірімен байланысты өзгерістер пайда болады.
Араластыру жылдамдығы микроорганизмдердің меншікті өсу жылдамдығынан төмен деп қарастырсақ, демек D < μ, мұндағы μ – D айырмашылығы оң болады. Осыған байланысты ферментатерге қоректік ортаның түсуі көбейсе, биомассаның концентрациясы Х жоғарылай бастайды, ол қоректік заттардың жоғарылауына және зат алмасу өнімнің жиналуына әкеліп соқтырады. Осының барлығы микроорганизмдердің өсу жылдамдығына кері әсерін тигізеді, оның өсу жылдамдығы төмендей бастайды. Осының салдарынан μ – D 0-ге ұмтылады, ал жүйе жаңа жылжымалы тепе-теңдіктің қалыптасуына ұмтылады. Бұл жағдайда биомасса концентрациясы алғашқысымен салыстырғанда жаңа өте жоғары деңгейде тұрақтанады .
Егер араластыру жылдамдығы меншікті өсу жылдамдығынан жоғарыласа (D > μ), онда μ – D айырмашылығы теріс мөлшерге ие болады және жүйедегі биомасса концентрациясы төмендей бастайды. Қоректік заттар аз жұмсалып, оның концентрациясы өседі, ол меншікті өсу жылдамдығына жағымды әсер етеді. Нәтижесінде жүйе жоғары концентрациялы қоректік заттарға және биомассаның төменгі концентрациясына сәйкес жаңа қалыптасқан режимге келеді.
Олай болса, бастапқы мәнді (ағымының жылдамдығы немесе қоректік орта құрамы) өзгерте отырып, жүйеге ауысады. Жасуша - орта жүйені бір қозғалмалы тепе – теңдік күйден басқа бір күйге ауыстыруға болады, осыдан барып үздіксіз процестер өздігінен ретелу қабілетіне ие болады, ол максималды меншікті өсу жылдамдығын қамтамассыз етеді. Араластыру жылдамдығын максимальды меншікті өсу жылдамдығынан жоғарылатқанда, (D > μ макс), онда белгілі бір уақыттан кейін барлық микроорганизм ферментатерден шығарылып жуылады.
Үздіксіз культивирлеудің маңызды көрсеткішінің бірі - өнімділігі болып табылады, ол биомасса концентрациясы араластыру жылдамдығының жүруімен анықталады :
П=DХ
Араластыру жылдамдығы максимальді болғанда, өнімділігі максимум жағдайға жетеді.
Үздіксіз культивирлеу жүйесінің классификациясы
Қазіргі кезде микроорганизмдерді үздіксіз культивирлеу әдісі тереңірек теориялық негізі бар және іс-жүзінде кеңірек қолданылады. Үздіксіз культивирлеу процестерін қолдану қазіргі уақытта жеткілікті және оларды классификациялауға болады.Үздіксіз культивирлеуді классификациялаған да жұмыс істеу принципіне қарай классификациялаған жөн.
Үздіксіз культивирлеу жүйесін ашық және тұйық деп ажыратуға болады. Ашық жүйедегі жоғары жылдамдықпен пайда болған жаңа жасушалар барлық уақытта ағымдағы ортада жуылады, бұл жағдайда олардың тұрақты концентрациялары оңай жетіледі.
Тұйық жүйеде жасушалар қандайда бір уақытта жүйеде тоқтап қалады және олардың барлық саны өседі. Бұл жағдайда шектелген факторлардың бәрі басқасына ауыстырылады, соңында жасушаның үлкен бөлігі өледі және мұндай жүйе динамикалық тепе – теңдік жағдайына жете алмайды.
Іс-жүзінде процесс периодты ұзартылған түрде жүреді. Сондықтан тұйық культивирлеу жүйесін, шектелмеген уақытта функциялауға қабілеті барды үздіксіз ағым деп қарастыруға болмайды. Жұмыс жасау принципін техникалық өзгерту арқылы ашық жүйені тұйық жүйеге ауыстыруға болады.
Ашық жүйе мен тұйық жүйелердің басты айырмашылығы – ашық жүйе бекітілген динамикалық жүйеде жүреді, ал жабық демек, тұйық жүйе мұндай жағдайға жете алмайды.
Үздіксіз процесс гомогенді - үздіксіз және гетерогенді - үздіксіз болып бөлінеді.Гомогенді–үздіксіз процесте ферментерде қарқынды араластырудың арқасында барлық параметрлері (қоректік заттардың концентрациясы, микроорганизмдердің өсу жылдамдығы) барлық уақытта тұрақты.
Гетерогенді – үздіксіз процесте бірнеше ферментер батареяға жалғасады, және әрқайсысы культивирлеу жағдайын тұрақты ұстап тұра алады,бірақ басқа ферментерден айырмашылығы болады. Мұндай әдісте жасушалардың өсуіне үнемі тұрақты жағдайларды қамтамасыз ете алмайды.
Үздіксіз культивирлеу жүйесі
А ш ы қ
Т ұ й ы қ
Аралық фазада
жасушалардың өсуіменен
Гомогенді үздіксіз
Гетерогенді үздіксіз
100%
жасушаның
рецируляциясыменен
Жасушаны механи-калық
бөлінуімен
Бір сатылы
Көп сатылы
Құбырлы
Қарама қарсы ағымды
Қарапайым тізбекте
қоректену
Күрделі тізбекте
қоректену
1 Сызба нұсқа- Үздіксіз культивирлеу жүйесінің классификациясы
Ашық бір сатылы гомогенді – үздіксіз жүйелер
Ашық бірсатылы гамогенді - үздіксіз жүйе деген бір ферментерден барлық уақытта қоректік орта берілетін және культуралды сұйықтық шығарылатын жүйені айтады. Қарқынды араластырудың арқасында ортаның құрамы аппараттың кез келген жерінде гомогенді ұстап тұрады, осының арқасында микробтық жасушалар біркелкі физиологиялық күйде келіп түседі.
Ортаны қарқынды араластырып ортаның біркелкі болуын қамтамасыз ететін негізгі аппарат ферментатер болып табылады (7 сурет). Жаңадан дайындалған қоректі орта белгілі бір және тұрақты жылдамдықпен ферментерге келіп түседі. Культуралды сұйықтық және микроорганизмдерде өскен жасушалардың қосқан санымен, сондай жылдамдық пен ферментерден шығарылады. Жасушаның қоректік заттың және метоболизм өнімінің жалпы барлық компоненттердің концентрациясы ферментерде бірдей болады.
Гомогенді - үздіксіз процесте ферментерде периодтық әдіспен өсірілген культураның өсу қисығының кез келген нүктесіне сәйкес қолайлы жағдай тууы мүмкін. Бұл жағдайда бекітілген режимде культивирлеудің үлкен диапозондағы субстрат концентрациясын араластыру жылдамдығы іс - жүзінде нольге тең. Бұл аралық екі маңызды және араластыру жылдамдығымен анықталады.
Біріншісі–араластыру жылдамдығының критикасы Dкр, ол меншікті өсу жылдамдығының максимумынан да үлкен болады. Dкр > μмакс . Мұндай жағдайда микроорганизмдердің өсуіне қарағанда, жуылуы тез жүреді және олардың концентрациясы біртіндеп нольге дейін төмендейді, ал субстрат концентрациясы (лимиттелген факторға ) максимум мәніне дейін жетеді.
Екіншісі – араластырудың шектелген жылдамдығы - көлемі өте төмен. Ағымның жылдамдығы осы мәнге жеткенше беріледі де, ал жасушалар ферментерде жиналып, стационарлы өсу фазасына ауысады.
7 сурет - Ашық бір сатылы гомогенді-үздіксіз жүйе
8 сурет- Хемостатты жұмыс істеуінің принципиальды сызба нұсқасы:
1-лимиттеуші компонентті беруді реттеуші;
2- лимиттеуші компонент концентрациясының датчигі.
Хемостат. Гомогенді - үздіксіз культивирлеуде шектелмеген жағдайдағы қалған элементтің саны, бір элементтің қоректенуі культуралардың өсуінің шегі қамтамасыз етіледі, онда мұндай үздіксіз культивирлеуді хемостатты(немесе хемостат) деп атайды, демек микроорганизмдердің өсуі ортаның химиялық факторларымен реттеледі. (8 – сурет).Хемостатты культура болып биомасса суспензиясын толық араластыруды, оған тұрақты жылдамдықпен ортаның берілуін және сол жылдамдықпен культуралды сұйықтық жасушамен бірге шығарылуы саналады. Ортаның компоненті мынадай жолмен бөлініп алынады, қоректенудің бір элементі жеткіліксіз болған түрде, сонда популяция тығыздығын оның концентрациясы арқылы анықтауға болады. Қалған қоректік элементтер артығымен беріледі, ол культивирлеу жағдайын (t,рН,аэрация) оптимальды ұстап тұрады. Хемостатта араластыру жылдамдығы алдын ала беріледі және лимиттелген компоненттер концентрациясы бақыланады. Микроорганизм осыған байланысты өздерін өз концентрациясымен ұстап тұрады. Араластыру жылдамдығын D үлкен шамаларға өзгертуге болады, бірақ μ макс -нен жоғары болмауы керек.
Турбидостат.Максимальді өсу жылдамдығына турбидостаттық культивирлеу арқылы жетуге болады(турбидостат)мұндай процесті бақылау микроорганизм концентрациясы арқылы жүзеге асырылады (сурет – 9).Турбидостатқа жасушалардың тұрақты концентрациясы беріледі,ол тікелей культиваторда физикалық және физико – химиялық әдістер арқылы бақыланады, негізінде фотоэлементтер жүйесі қолданылады және жаңадан дайындалған қоректік ортаның ағым жылдамдығы арнайы қондырғымен реттеледі. Турбидостатта субстрат мол болса, микроорганизм максимум жылдамдықпен көбейе бастайды, жасушаның концентрациясы тез жоғарылайды.
9 Сурет -Турбидостат жұмысының принципиальды сызба нұсқасы:
1-жарықкөзі;2-фотоэлемент;3-фотоэлемент белгісін күшейткіш;
4-қоректік ортаны беруді реттегіш; 5- культуральды
сұйықтықты циркуляциялауға арналған насос.
Жасушалар мөлшері берілген концентрациядан жоғарылаған болса, онда фотоэлемент жұмысқа қосылып, жаңа жас қоректік орта ағымы келіп түседі, осының еcебінен жасушалардың концентрациясы төмендейді. Турбидостат жасушалардың төменгі концентрациясында, критикалық араластыру жылдамдығына жақын аумақта қарқынды жұмыс істейді. Араластыру жылдамдығы азырақ өзгерсе жасушалардың концентрациясы тез өзгереді және аспаптың сезімталдығы толық қолданылады. Бұл әдісті микрооргинизмдерді мөлдір ортада өсіруде қолданады.
Гомогенді - үздіксіз ашық жүйе үздіксіз микробиологиялық процестің барлық типтерін бағалауда анализдеудің негізі болады. Басқа типтер осы негізгі типтің ерекше түрі болып қарастырылады.
Ашық көп сатылы гомогенді – үздіксіз жүйелер
Кейбір өнімдерді алуда бір ферментерде үздіксіз культивирлеу процесі сәті орындалуы мүмкін емес, демек бір сатылы жүйеде. Бұл жағдайда көпсатылы үздіксіз жүйені қолдану қажет, ол тізбектелген қатарда қосылған ферментер болып келеді (10-сурет). Көпсатылы жүйелерде жаңа дайындалған қоректік орта тек бірінші сатыға берілуі мүмкін. Мұндай жүйе бір ағымды немесе қоректенудің қарапайым тізбегінің жүйесі деп атайады.
Егер қоректік орта бірінші сатыға берілсе, келесілердің әрқайсысы онда қоректенудің күрделі тізбегінің жүйесі немесе көп ағымды тізбегінің жүйесі деп аталады.
10 Сурет -Көп сатылы үздіксіз жүйенің сызба нұсқасы
1- қоректенудің қарапайым тізбегі; 2,3-қоректенудің күрделі тізбегі;
4-сепарирленген жасушалардың бөлектеліп оралуы
( рециркуляциялануы).
Мұндай жүйелердің әртүрлі сатысына берілетін қоректік ортаның құрамы бірдей немесе әртүрлі құрамды болуы мүмкін. Егерде соңғы ферментерден жасушалардың бір бөлігі (сепарирленген) бірінші ферментерге қайта оралса, онда мұндай жүйені жасушалардың бөлшектеліп қайта оралуы (немесе рециркуляциясы) деп атайды.
Көпсатылы жүйеде кейбір жағдайларда ферментерді бірнеше сатыға немесе камераларға тігінен немесе көлденең бөлікке бөлуге болады. Көпсатылы үздіксіз жүйелер іс-жүзінде және тәжірбиеде көп мүмкіндік береді. Үздіксіз процесті сақтай отырып, микроорганизмнің культурасын әртүрлі өсу фазасында, әртүрлі физиологиялық жағдайда ұстауға болады, микроорганизмнің қажетті физиологиялық жағдайын жүйеге қосып, ферментерге субстраттың әр түрлі құрамы беріледі. Соңында көпсатылы үздіксіз жүйелер максимум субстратты утилизациялауда микроорганизмдердің жасанды мүмкіндігін толығымен қолдануға болады.
Ашық гетерогенді – үздіксіз жүйелер
Бұл жүйенің гомогенді-үздіксіз жүйелерден ең басты айырмашылығы болып өсу процесінде культура араластырылмайды немесе толық араластырылмайды. Қоректік орта үздіксіз біркелкі құйылып ферментердың тұрақты көлемі арқылы ағып өтеді. Ортаның құрамы көлденең ағымда өзгереді және ағымның жылдамдығына тәуелді болады. Егер ағым күйі тұрақты болса, онда ферментердің белгілі бір бөлігінде ортаның құрамы тұрақтануына және уақыт тәуелсіздігіне жақындайды. Осыған орай, әрбір жеке компонент жүйеде үздіксіз қозғалыста өзгерістерге тап болса, жалпы жүйенің өзі уақытқа байланысты өзгермейді.
Құбырлы жүйелер.Мысал ретінде бұл жүйеге құбырлы реакторды келтіруге болады, онда хемостаттан ортаның біркелкі ағымы ағып өтеді.
11Сурет-Құбырлы реакторлы гетерогенді–үздіксіз жүйенің сызба нұсқасы.
1-хемостат; 2-құбырлы реактор;
3-биомассаны бөлуге арналған сепаратор.
Ол араласпайды және аэрирленленбейді. Құбырлы реакторда микроорганизм ортада өлшегендей өсіріледі. ( сурет – 11 ).
Құбырлы реакторда гетерогенді культивирлеу алдында жұмыс істеп тұрған ферментерден үнемі микроорганизмдердің егілуін қажет етеді. Ортамен бірге құбырлы реакторға өтуде жасушалар максимум көбеюге жетеді, егерде реактор барынша ұзын болса, онда ол өле бастауы мүмкін. Культивирлеу процесінің үздіксіз болуына қарамастан, жасушалар мұнда да периодты культивирлеу әдісіндегідей даму цикліне өтеді.Бұл жүйеде араластырудың жалпы жылдамдығы орта ағымының жалпы көлеміне қатынасымен анықталады, ал орташа айналым уақытты кері көлемі болады. Құбырлық жүйе барлық жағдайда көп сатылы үздіксіз культивирлеуді ауыстырады.Құбырлы жүйенің артықшылығы салыстырмалы түрде субстраттың толық қолданылуы болып табылады. Оның кемшілігі аэрациялаудың қиыншылығы болып табылады, сондықтан ол анаэробты процестерде қолданылады немесе оттегін минимальды қажет ететін процестерде қолданылады. Әдетте, мұндай жүйе ағын суларды тазартуда қолданылады, анаэробты процестер өтетін жерлерде және жасушаның седиментациясы оң фактор болып саналады.
Қарама қарсы ағымдағы жүйе. Ашық гетерогенді - үздіксіз жүйеге қарама - қарсы ағымды жүйелер кіреді, онда екі араласпайтын фазалар қарама- қарсы бағыта ағып өтеді ( 12-сурет).
Қарама қарсы ағымдағы жүйе. Ашық гетерогенді - үздіксіз жүйеге қарама - қарсы ағымды жүйелер кіреді, онда екі араласпайтын фазалар қарама- қарсы бағыта ағып өтеді ( 12-сурет).
12 Сурет- Гетерогенді-үздіксіз жүйенің қарама- қарсы ағымының
сызба нұсқасы: 1-хемостат; 2-реактор; 3-биомассаны бөлуге
арналған сепаратор;
13 Сурет -Жасуша рециркуляциясы мен тұйық жүйе.
1-ферментер; 2-ағымды бөлуге арналған аппарат.
Микроорганизмдер алдымен 1 гомогенді -хемостатты жүйеде өседі, содан соң 2 реакторға келіп түседі. Реактор бөлік ұяшықтарға бөлінеді,оны әр түрлі мағынада қосуға болады.Қоректік орта (сулы фаза) активті жасушамен тігінен орналасқан реактордың жоғарғы жағынан беріледі.Жеңіл (сұйық немесе газды).
Фаза, ауыр сұйық фазамен араласпайды,қарама–қарсы бағытта ағады .Бұл жүйеде жасуша рециркуляциясы қарастырылуы мүмкін. Кейбір сұйық немесе газ тәрізді көмірсуларды қарама–қарсы жүйе микроорганизмнің көмегімен өңделетін мұнай өнеркәсібінде қолданылуы мүмкін .
Жасуша рециркуляциясы мен тұйық жүйелер
Гомогенді немесе гетерогенді ашық жүйенің тұйық жүйеге ауысуы жасушаның толық рециркуляциялану жолымен жүзеге асырылады (13-сурет). Мұндай рециркуляцияның екі варианты бар:
1) Қолданылып болған ортадан бөліп алынған жасушалар массасы мен қатар жаңадан жасалған орта культиваторға салынады;
Ортамен бірге өлшенген жасушалар жүйеде үздіксіз рециркуляцияда
анайналымда болады.
Жасушаны механикалық бөліу мен тұйық жүйелер
Бұл жүйеде культура жартылай өткізгіш қабырғалы сосудтарда өсіріледі (14-сурет). Жартылай өткізгішті қабырғалар арқылы метаболиттер мен қоректік заттардың алмасуы жүреді, ал микроорганизмдер болса, сол сосудта қалады. Бұл әдіс түрлі токсинді, патогенді микроорганизмдерді пайдаланып оқып меңгеру үшін қолайлы.
Аралық фазада жасушаларды өсіру мен тұйық жүйе
Кейбір микроорганизмдер сұйық және газ тәрізді фазалардың шекарасында немесе сұйық және қатты фазалардың шекарасында жақсы дамиды (15-сурет).
14 сурет- Жасушаны механикалық бөліу мен тұйық жүйе.
1-ферментер; 2- қабырғаға жартылай енген сосуд;
15 сурет- Аралық фазада микроорганизмдерді өсіру жүйесі:
а- сұйық-газ (культура сұйықтықта қабықша түрінде);
б-сұйық-қатты дене (микроорганизм қатты тасмалдағышта бекітілген).
Әдетте культураның өзі сұйық және газ тәрізді фазалардың шекарасында тығыз қабық түзеді, ал жаңадан жасалған қоректік ортада культура қабатын жағалай ағады. Культура өсетін беткі қабатында, жайлап ағып өтетін сұйықтықта жасушалар аз немесе мүлдем болмайды. Мұндай жүйелер көбінесе араластыру кезінде сезімтал микроорганизмдерге арналған, пеницилин, лимон қышқылын немесе зең саңырауқұлақтарын культивирлеп ферменттерді продуцирлеуде қолданылады (15-сурет , а ).
Кейбір микроорганизм түрлері сұйық және қатты фазалардың шекарасында өседі. Қатты фазалар (целлюлоза талшығы,керамика немесе шыны түтікше және тағы басқалар) (15-сурет, б ).
Микроорганизмдер насадкада өседі, ал субстрат жүйеде циркуляцияланады. Мұндай жүйе көбінесе сірке қышқылы өндірісінде, органикалық еріткіштерде, қышқылдарда, сонымен қатар ағын суды тазартуда қолданылады.