I– лаг-фаза;II– логарифмическая фаза;III– стационарная фаза;IV– фаза отмирания.

N– численность микробных клеток; τ – продолжительность культивирования

Первая фаза – называется «лаг-фаза», или фаза задержки роста. Следует она непосредственно за внесением посевного материала в питательную среду. В этой фазе микроорганизмы не размножаются, а адаптируются к новым условиям среды. Наблюдается увеличение содержания нуклеиновых кислот в клетках и увеличение их размеров Численность культуры не увеличивается. Данная стадия является подготовительной к дальнейшему интенсивному синтезу белка клеткой, т.е. ее росту и размножению.

Вторая фаза - фаза логарифмического роста (или экспоненциальная) характеризуется высокой скоростью размножения клеток, так как в среде высока концентрация питательных веществ и незначительное количество вредных продуктов клеточного обмена. Численность популяции увеличивается с максимальной скоростью. Время, необходимое для удвоения числа клеток, называется временем генерации. В благоприятных условиях микробные клетки делятся каждые 20-30 мин, их число увеличивается в геометрической прогрессии. Для характеристики активно развивающейся в этой фазе микробной культуры используют показатель удельной скорости роста культуры – μ, равный приросту клеток за единицу времени в единице объема среды:

μ = ( lg N₂ – lg N₁ ) / ( τ₂ – τ₁ ), час^-1.

Третья фаза - стационарная ( или фаза зрелости). Размножение микроорганизмов замедляется, Наблюдается снижение скорости роста вследствие истощения питательных веществ в среде и увеличения концентрации продуктов обмена. В результате скорость роста выравнивается со скоростью отмирания культуры и какое-то время число клеток остается постоянным, т.е. наблюдается состояние динамического равновесия.

Четвертая фаза - фаза отмирания, когда скорость отмирания клеток превышает скорость роста. Это происходит вследствие истощения питательной среды, накопления в ней токсичных продуктов обмена и автолиза культуры.

Периодическое культивирование используется во многих производствах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов. Основной недостаток периодического культивирования – цикличность и постоянное изменение условий культивирования, что затрудняет контроль и регулирование параметров процесса и приводит к нерациональным затратам времени на прохождение всех четырех стадий развития культуры, причем период самой активной фазы - фазы логарифмического роста - занимает небольшую часть производственного цикла. Этих недостатков лишен метод непрерывного культивирования.

Непрерывное культивирование. Метод непрерывного культивирования микроорганизмов является более прогрессивным и приобретает все большее значение в промышленной биотехнологии. Сущность метода заключается в поддержании постоянных условий среды, а следовательно, и культуры микроорганизмов в определенном, наиболее активном физиологическом состоянии.

Реализуется этот способ непрерывной подачей в ферментатор стерильной питательной среды и одновременным непрерывным отбором культуральной жидкости. Посевной материал при этом выращивается до стадии логарифмического роста и однократно вносится в питательную среду в начале процесса. Основным условием метода является равенство скорости притока питательной среды и скорости отбора культуральной жидкости между собой и их равенство удельной скорости роста культуры. Скорость притока питательных веществ характеризуется коэффициентом разбавления среды - D , который определяется как:

D = ( С₂ - С₁ ) / ( τ₁ - τ₂ ), час^-1,

где С₁ и С₂ – концентрация питательных веществ в среде в моменты времени τ₁ и τ₂ соответственно.

Обязательным условием непрерывного культивирования является равенство значений μ = D, при котором микробная культура постоянно поддерживается в логарифмической фазе роста. Если равенство нарушается и D > μ, т.е.коэффициент разбавления среды будет больше удельной скорости роста культуры, то микробная культура будет вымываться из ферментатора и по прошествии некоторого промежутка времени через него будет прокачиваться стерильная среда. В случае если D < μ , т.е. скорость роста культуры будет превышать скорость подачи питательных веществ, произойдет постепенный переход системы к периодическому культивированию.

Несмотря на некоторое аппаратурное усложнение технологического процесса, метод непрерывного культивирования нашел широкое применение в биотехнологической отрасли.