8 Стадия ферментации. Хемостат. Особенности

При хемостатном режиме культивирования в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, один из компонентов которой, часто кислород,поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры. В этом случае реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы, автоматически удовлетворяющей равенству μ = D, где μ — удельная скорость роста клеток, D — коэффициент разбавления (скорость убыли концентрации клеток). Если первоначально скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то наступает разбавление культуры свежей средой. Это ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается. Как только μ превысит D, в реакторе начинает концентрироваться биомасса. Увеличивающаяся популяция клеток все активнее «выедает» субстрат, его концентрация падает, что, в свою очередь, ведет к торможению роста культуры. Таким образом, после серии затухающих колебаний скорость роста культуры становится равной скорости ее разбавления.

Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Он включает: 1) устройство для вливания питательной среды; 2) выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости с клетками; 3) систему контроля скорости протока

Один из простейших вариантов хемостата содержит насос, постоянно нагнетающий питательную среду в биореактор, и выпускную трубу, по которой жидкость из биореактора вытекает, как только ее уровень поднимается выше горловины этой трубы. Альтернативный вариант — выпускная труба входит в полость биореактора сверху и нижний обрез ее горловины соот- ветствует уровню, выше которого жидкость не должна подниматься. Если этот уровень превышен, избыток культуральной среды с клетками отсасывается насосом, подсоединенным к выпускной трубе.

,

где x- концентрация биомассы, s-концентрация субстрата,f-скорость подачи среды

9 Стадия ферментации. Периодическое культивирование. Особенности

Периодическим называют такой метод культивирования, когда клетки микроорганизмов вносят в питательную среду и далее компоненты среды не поступают в сосуд и не удаляются из него. Простая периодическая культура, содержащая ограниченное первоначальное количество питательного субстрата, служит примером закрытой системы (например, рост микроорганизмов на чашках Петри или в колбах с питательной средой). Закрытой называют такую систему, в которой хотя бы один из существенных компонентов не может ни поступать в систему, ни покидать ее. Такое культивирование называется периодическим. В этих условиях популяция микроорганизмов проходит определенный цикл развития, выражающийся в смене периодов роста

При изучении динамики роста культур микроорганизмов необходимо строго соблюдать некоторые условия:1)жизнеспособность засева;2) наличие в среде культивирования всех необходимых питательных веществ;3) отсутствие в среде ингибиторов, подавляющих рост клеток4) поддержание в среде оптимальными всех физико-химических условий. Продолжительность каждого периода зависит от вида культуры, количества и качества посевного материала, состава питательной среды и условий культивирования.Выделяют несколько фаз в развитии культуры.После введения в питательную среду инокулята (маточной культуры) обычно наблюдают индукционный период (лаг-фазу) (I), в течение которого не происходит сколько-нибудь заметного увеличения биомассы или численности клеток. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию субстратов, активизируется биосинтез белка.Индукционный период сменяется фазой ускоренного роста (II), в течение которой быстро накапливается биомасса и продукты разных реакций.

Фаза линейного роста (III) – время интенсивного логарифмического размножения. В этот период размножение бактерий идет с наибольшей скоростью и число клеток увеличивается с геометрической прогрессией.В результате такого интенсивного размножения бактерий происходит поглощение необходимых питательных веществ из среды и накопление в ней ядовитых продуктов обмена. Это замедляет ритм размножения.Фаза экспоненциального роста сменяется весьма непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста (IV).Затем рост культуры переходит в достаточно устойчивую и продолжительную стационарную фазу (V). В этих условиях культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток.Если система полностью истощается по субстрату, или накопление ингибирующих рост продуктов является значительным, то скорость прироста биомассы становится равной нулю. Происходят существенные физиологические изменения клеток и, как правило, наблюдается фаза отмирания культуры (VI), сопровождаемая часто полным лизисом клеток.