Биотехнологическая реализация способов непрерывного культивирования микроорганизмов

Существует много способов непрерывного культивирования микроорганизмов, но в биопромышленности в основном применяются два типа:

• Хемостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние достигается путем регулирования поступления лимитирующих рост субстратов;

• Турбидостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние культуры достигается путем удаления биомассы и замещения её свежей средой со скоростью равной скорости роста культуры.

Хемостат в отличии от турбидостата позволяет с высокой скоростью регулировать условия лимитирования роста (субстратное лимитирование), тогда как турбидостат предпочтительнее для изучения микроорганизмов в условиях близких к максимальной удельной скорости роста.

Хемостатный способ культивирования

При хемостатном (непрерывном) культивировании, в отличие от периодического, в культиватор постоянно подается свежая питательная среда и концентрация одного из субстратов поддерживается на уровне, лимитирующем рост. Одновременно происходит постоянный отток культуры, так что объем ее в культиваторе не изменяется. Культиватор снабжен мешалкой для равномерного распределения свежей среды. Хемостат имитирует ситуацию, существующую в природе, в том отношении, что клетки поддерживаются в нем в условиях незначительного, но непрерывного поступления субстрата. Измеряемая концентрация субстрата не дает никакой информации о количестве субстрата, находящемся в обороте; она отражает лишь сродство к субстрату соответствующих микробных систем и его связь со скоростью поступления субстрата. Рост и оборот субстрата не обязательно связаны между собой стабильным соотношением, но оборот субстрата может быть все менее сопряжен с ростом по мере снижения скорости поступления субстрата.

Культивирование в хемостате:

1. обеспечивает постоянное получение молодых клеток, выросших в строго определенных условиях при известной удельной скорости роста; такие клетки необходимы для изучения различных регуляторных процессов;

2. позволяет определять важные показатели роста, а также изучать физиологическую реакцию культуры на лимитирование питательными веществами;

3. служит полезной моделью для описания роста во многих природных местообитаниях;

4. позволяет выявлять предпочтительно используемые субстраты в их смеси, а также конкуренцию или сосуществование двух или трех видов при данных условиях роста;

5. позволяет проводить подпитку токсичными субстратами в более высоких концентрациях;

6. позволяет исследовать стабильные двухкомпонентные культуры.

Турбидостатный способ культивирования

Турбидостат представляет собой самую простую из всех хорошо перемешиваемых систем непрерывного перемешиваемых систем непрерывного культивирования. Концентрация клеток при турбидостатном культивировании регулируется постоянной подстройкой скорости поступления питательных компонентов. В отличии от хемостата концентрацию биомассы в турбидостате выбирает оператор, а скорость разбавления и соответственно концентрация субстратов поддерживается таким образом, чтобы сохранялся заданный уровень биомассы.

Турбидостатное культивирование осуществляют обычно в тех случаях, когда лимитирующий фактор не известен или в лимитирующих количествах субстрата нет необходимости. Поэтому субстрат добавляется в ферментер в избытке. Избыток концентрации всех компонентов питательной среды делает работу турбидостата стабильной даже при удельной скорости роста культуры близкой к максимальной . Турбидостат позволяет регулировать систему в широких инервалах концентраций биомассы при скорости разбавления близкой к критической . Именно в этих условиях химостат менее стабилен.

Как хемостатное, так и турбидостатное культивирование имеют большое количество вариантов. Например, тот и другой способы могут осуществляться одностадийно и двустадийно. Одностадийное культивирование означает, что процесс ведется в одной емкости (в одном ферментере), а двухстадийное – в двух последовательных ферментерах.

Одностадийное хемостатное культивирование применяется при необходимости воспроизвести любую скорость роста культур, кроме максимальной. Двухстадийное культивирование в двух последовательных ферментерах позволяет обеспечивать культуры максимальной скоростью роста и даже создать условия для ее превышения. Для этого в первом ферментере ведется культивирвание при D< µмах , а во второй подается культура из первого и добавляется свежая питательная среда. При этом во втором ферментере происходит повышение скорости протока вплоть до превышения µмах , а вымывание не происходит, т.к. из первого ферментера непрерывно поступает культура.

Одностадийное турбидостатное культивирование используют для получения максимальной скорости роста. При двухстадийном культивировании можно воспроизвести во втором ферменте вторую фазу роста периодической культуры – вернее фазу роста, связанную с синтезом вторичного продукта метаболизма. В первом ферментере ведется выращивание культуры при большой скорости роста, что соответствует фазе логарифмического роста периодической культуры. Второй ферментер берется большего размера или с содержанием значительно большего количества питательной среды. Поэтому поступающая из первого ферментера культура оказывается в условиях замедленного роста, соответствующего скорости роста периодической культуры в фазу стационарного максимума. Именно эта скорость и является оптимальной для синтеза вторичного продукта. При низких концентрациях субстрата и при низкой концентрации клеток можно возвратить в ферментер часть вытекающей из него биомассы, возврат повышает концентрацию и ускоряет процесс. Вариантов возврата биомассы может быть несколько. Сепарируют вытекающую культуру и сгущенную часть возвращают в ферментер. Устанавливают различные фильтрующие устройства, позволяющие вытекать культуральной жидкости, но задерживающие клетки.