Основы биотехнологических методов

методов

Периодическая ферментация с добавлением субстрата

и непрерывная ферментация

ВВЕДЕНИЕ. Периодическое добавление субстрата

наблюдаются различные условия: динамика измене-

биотехнологических

в биореактор позволяет увеличить продолжитель-

ний состава питательной среды, концентрации био-

ность экспоненциальной фазы, во время которой

массы и продукта аналогична тому, что происходит

синтезируются большинство белковых продуктов, по-

при периодической ферментации в различные про-

этому в современной промышленности этот тип фер-

межутки времени. В стационарном состоянии рост

ментации находит все большее применение. Непре-

биомассы поддерживается на постоянном уровне

рывная ферментация имеет важное значение для

благодаря удалению клеточной суспензии из реакто-

изучения закономерностей клеточного роста и мета-

ра. Концентрация субстрата S и скорость образова-

болизма, однако в промышленных целях применяет-

ния продукта Qx остаются постоянными. В этих усло-

ся очень редко.

виях, если скорость образования продукта не зависит

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ С ДОБАВЛЕНИЕМ

от скорости роста клеток, можно считать, что ско-

Основы

СУБСТРАТА (FED BATCH). Этот тип ферментации

рость образования продукта Qx пропорциональна ско-

имеет два важных преимущества. Многие ценные

рости прохождения клеток через реактор. Если целе-

продукты (антибиотики, внеклеточные ферменты, по-

вой продукт является продуктом вторичного обмена,

лисахариды и др.), получаемые при промышленном

т. е. процессы роста биомассы и синтеза продукта

культивировании микроорганизмов, являются вторич-

являются сопряженными, математическая модель

ными метаболитами, т. е. синтезируются по оконча-

процесса непрерывной ферментации значительно ус-

нии экспоненциальной фазы роста клеток. Для того

ложняется. Непрерывная ферментация имеет очень

чтобы восполнять истощившуюся к этому времени пи-

важное значение для подбора и усовершенствования

тательную среду, в нее необходимо добавлять свежие

условий промышленной ферментации, а также для

питательные вещества, а также вещества-предшест-

изучения влияния пониженного содержания опреде-

венники продукта. Периодическое, а не разовое вве-

ленного компонента среды на клеточный рост. В про-

дение глюкозы предотвращает замедление роста в

мышленности непрерывная ферментация не находит

результате так называемого ингибирования избытком

широкого применения, однако эти процессы исполь-

субстрата. Процесс биосинтеза антибиотиков часто

зуются при аэробной или анаэробной очистке сточ-

зависит от скорости образования некоторых катабо-

ных вод, а также в пивоварении и производстве чело-

литов, поэтому для высокой эффективности синтеза

веческого инсулина с помощью рекомбинантных

необходимо в определенной мере ограничивать дос-

штаммов дрожжей. По сравнению с периодической

тупность тех или иных источников углерода, азота и

ферментацией непрерывная ферментация имеет

фосфора. Такая регуляция становится возможной при

ряд недостатков: a) экономические преимущества

осуществлении периодической ферментации с добав-

непрерывного процесса проявляются лишь через

лением субстрата. При культивировании пекарских

500–1000 часов ферментации, однако затраты на

дрожжей в питательной среде с высоким содержани-

поддержание стерильности реактора в течение столь

ем сахара наблюдается высокая удельная скорость

продолжительного времени могут оказаться весьма

роста , однако из-за интенсивного образования эта-

значительными; б) контроль и поддержание однород-

нола рост клеток при аэробной ферментации замед-

ного состава питательной среды в течение длитель-

ляется (так называемый эффект Крэбтри). Если це-

ного периода также требуют дополнительных мер; в)

лью периодической ферментации является получение

далеко не все рекомбинантные штаммы, использу-

биомассы дрожжей, необходимо избегать аэробных

емые в промышленности, сохраняют свои генетиче-

условий и постепенно добавлять глюкозу.

ски запрограммированные свойства в течение про-

НЕПРЕРЫВНАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ. При непрерывной

должительного времени.

ферментации в культуру постоянно подают свежие

питательные вещества и одновременно из нее отво-

дится такой же объем клеточной суспензии. Непре-

рывную ферментацию можно проводить в реакторе с

постоянной скоростью подачи питательных веществ

(хемостате), в реакторе, в котором поддерживается

постоянное количество клеток (турбидостате) или в

реакторе идеального вытеснения (plug-flow), в кото-

ром суспензия клеток направленно поступает в реак-

тор, а на выходе удерживается и вновь подается на

вход. Использование реакторов идеального вытесне-

206

ния особенно важно при подборе оптимальных усло-

вий ферментации. В разных участках реактора

Непрерывная ферментация

Типы реакторов

Скорость разведения и выход продукта

Хемостат

Турбидостат

Реактор идеаль-

ного вытеснения

5

10

5

Продукт

Продукт

Продукт

Измерение

4

8

4

оптической

плотности

X, г/л

3

6

, ч

3

D

2

4

t

2

S,г/л

1

2

1

0,25

0,50

0,75

1,00

Питательная

Питательная

Питательная

Скорость разведения, ч–1

среда

среда

среда

(постоянная

(постоянная

(постоянная

концентрация субстрата, г/л

скорость

клеточная

скорость

биомасса, г/л

поступления)

масса)

поступления)

время удвоения, ч

скорость образования клеток, г/(л ч)

Уравнения, описывающие превращения биомассы и субстрата

Биомасса

экономический коэффициент,

б/р

константа Моно, г/л

Субстрат

концентрация субстрата

на входе, г/л

концентрация субстрата

в ферментере, г/л

cкорость разведения, ч–1

В стационарной фазе:

биомасса, г/л

скорость роста клеток, ч–1

и μ = D

максимальная скорость

роста клеток, ч–1

следовательно

Периодическая ферментация

Образование пенициллина

Биореактор

Добавление

160

глюкозы

Резервуар

120

Пенициллин

50

для субстрата

Контроль

80

40

по принципу

30

обратной

связи*

40

Биомасса

20

Детектор

10

0

0

24

72

128

168

* например, по массе

Время, ч

207