14. Общая модель динамики роста клеточных культур.

Различают следующие фазы ростового цикла:

1. Лаг-фаза. Внесенные в питательную среду клетки микроорганизмов приспосабливаются к условиям и составу среды, размножения практически не происходит. Продолжительность этой фазы (может длиться от нескольких часов до нескольких суток) зависит от состава питательной среды, рН, температуры, возраста и количества внесенных клеток.

Если клетки переносят с бедной среды в богатую, то питательные компоненты и время расходуются на повышение активности ферментов, необходимых для повышения активности метаболизма в целом. Если же клетки переносят с богатой среды на среду с более низким уровнем питательных веществ, то они способны немедленно, хотя и с низкой скоростью, вступить в экспоненциальную фазу роста.

2. Фаза экспоненциального роста (логарифмическая). Это стадия интенсивного размножения. Скорость размножения максимальна. В этой фазе большинство клеток является биологически активными и молодыми. Если культуру в данной фазе развития перенести в другую емкость с аналогичным субстратом, то скорость роста микроорганизмов не изменится.

Клетки по размеру мелкие, так как почкование опережает рост. В то же время на этой стадии культура более чувствительна к действию неблагоприятных факторов.

3. Фаза замедленного роста. Скорость размножения замедляется, так как постепенно изменяется состав среды: снижается концентрация питательных веществ, увеличивается плотность культуры в единице объема, накапливаются продукты обмена веществ клеток, которые в определенной концентрации могут угнетать нормальную жизнедеятельность культуры микроорганизмов.

4. Стационарная фаза. Наступает, когда концентрация клеток перестает увеличиваться и число их в единице объема становится максимальным. Скорость размножения равна скорости отмирания. В этот период в результате жизнедеятельности клеток в культуральной среде накапливаются продукты обмена веществ, которые имеют важное практическое значение (ферменты, антибиотики и др.).

5. Фаза отмирания. В результате истощения питательной среды и максимального накопления продуктов обмена скорость отмирания клеток намного превышает скорость их размножения. Наблюдается резкое уменьшение числа жизнеспособных клеток. Скорость отмирания зависит от видовых особенностей организма. Фаза отмирания является противоположностью логарифмической фазы роста.

15. Специфические особенности работы с ферментерами. Проблемы пенообразования и пеногашения.

В процессе выращивания аэробных микроорганизмов, который сопровождается подачей воздуха в ферментёр и перемешиванием среды, наблюдается сильное пенообразование. Возникновение пены в процессе биосинтеза обусловлено введением газовой фазы, а также содержанием в среде питательных субстратов, солей, продуктов метаболизма микроорганизмов и поверхностно-активных веществ (ПАВ).

В чистой воде и других химически чистых жидкостях пены не бывает. Молекулы ПАВ образуют пленки на поверхности газовых пузырей, затрудняя их коалесценцию (слияние нескольких мелких пузырьков) и разрушение. В стойких пенах длительность существования пузырька составляет 1 — 15 мин.

От эффективности способов пеногашения зависят такие технологические показатели, как выход продукции с 1 м³ культуральной жидкости и ее себестоимость.

Самопроизвольный распад монодисперсных пен (с пузырьками равных размеров) происходит равномерно. Полидисперсные пены разрушаются быстрее, но неравномерно.

Борьба с ценообразованием — одна из важных задач в микробиологическом производстве.

В настоящее время имеются разнообразные средства как для разрушения пены, так и для предупреждения ее образования. Чтобы предупредить образование пены в процессе культивирования можно удалить вспениватели из исходной питательной среды, вводя в нее адсорбенты (активный уголь, иониты), которые связывают белковые пенообразователи.

При составлении питательной среды целесообразно выбирать такие компоненты, которые имеют меньшую склонность к вспениванию. На вспениваемость некоторых питательных сред влияют не только состав, но и условия обработки: температура, длительность стерилизации и количество вносимого посевного материала. Это необходимо учитывать при отработке технологии биосинтеза. Однако полностью избежать образования пены в процессах микробиологического синтеза все же не удается.

Для регулирования уровня пены в ферментёрах применяются различные способы — химические, механические, физические и комбинированные.

К химическим средствам относятся ПАВ, которые внедряясь в стенки пузырей, становятся центрами их неустойчивости. Эффективными пеногасителями служат растительные (соевое, рапсовое, кокосовое, подсолнечное, горчичное) масла, животные (сало, рыбий жир) и минеральные жиры. Недостатком этих пеногасителей является то, что при утилизации микробными клетками сами по себе способствуют пенообразованию. Механические пеногасители представляют собой различные устройства, сбивающие пену: диски, лопасти, барабаны, располагающиеся в верхней части реактора. Более сложными приспособлениями являются сепараторы пены, которые одновременно служат для сбора биомассы, содержащейся в пенном слое. Все эти устройства, конечно же, приводят к дополнительным затратам и удорожают производство.