Основные факторы среды, определяющие рост и биосинтетическую активность продуцентов
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов питательная среда должна быть стерильной, содержать водный раствор или суспензию усвояемых форм углерода, азота, фосфора, и других необходимых макро- и микроэлементов и иметь оптимальные значения температуры, рН, окислительно-восстановительного потенциала, осмотического давления и т. д. (табл.5). Отрицательные факторы задерживают рост и образование целевого продукта, и даже вызывают отмирание части клеток.
Таблица 5
Основные факторы среды, определяющие рост и биосинтетическую активность продуцентов
Фактор
|
Роль при культивировании |
Методы управления
|
Состав и концентрация пита тельных веществ |
Обеспечивают метаболизм
|
Составление оптимальной композиции; подпитка во время ферментации непрерывность процесса; многостадийность с учетом потребностей продуцента по фазам развития и др. |
Концентрация продукта и ингибиторов
|
Замедляет биохимические реакции |
Осаждение продукта по мере накопления; ферментация с диализом; ферментация под разрежением с испарением летучего продукта и др. |
рН
|
Оптимизирует скорости биохимических реакций (пределы от 3,5 до 9,0) |
Регулирование путем добавления кислоты или щелочи |
Температура |
Оптимизирует скорость биохимических реакций (обычно равна 20-70° С) |
Охлаждение или подогрев культуральной жидкости при помощи теплообменников или температуры подаваемых в биореактор субстратов |
Осмотичес-кое давление или активность воды
|
Определяет границы жизни (составляет 0,6 - 0,998)
|
Составление сред с оптимальной концентрацией питательных веществ или влажностью твердой среды; поддержание на постоянном уровне во время ферментации путем разбавления водой или добавления отдельных компонентов |
Содержание растворенного кислорода
|
Для аэробов обеспечивает аэробный метаболизм; является акцептором Н+; ингибирует развитие микробов |
Для аэробных процессов регулируют интенсивностью аэрации или добавлением к газовой смеси кислорода; при атмосферном давлении и 20* С в литре среды растворяется 0,28 мМ 02. Анаэробные процессы реализуют в бескислородной среде, что достигается продуванием N2 и СО2 или добавками восстановителей (цистеина, аскорбиновой кислоты и др.) |
Содержание диоксида углерода
|
Источник углерода для автотрофов, гетеротрофы некоторые нуждаются, а некоторые замедляют метаболизм в присутствии СО2
|
Продувание в фотосинтезирующих процессах ферментации газовой средой, обогащенной СО2, выделению СО2 из жидкой фазы способствует перемешивание
|
Перемешивание среды
|
Равномерное распределение питательных веществ и биомассы по всему пространству среды
|
Организуют макро- и микроперемешивание в биореакторах при помощи механических мешалок, барбо-тажных, циркуляционных и других систем. Аэрация способствует перемешиванию, а пенообразование -флотации продуцента; флокуляция способствует осаждению биомассы |
Вязкость среды
|
Определяет диффузию питательных веществ и перемешивание клеток продуцента
|
Регулирование компонентами питания, характером и концентрацией биомассы, а также наличием некоторых полимерных экстрацеллюлярных продуктов. Вязкость влияет на перемешивание и аэрацию, для чего требуются специальные технические средства |
По оптимальным для роста температурам микроорганизмы условно делят на психрофилы (1), мезофилы (2) и термофилы (3) (рис. 7).
Рис. 7. Влияние температуры на удельную скорость роста микроорганизмов
В промышленности главным образом применяют мезофилы, имеющие оптимальную температуру около 30° С. В последнее время повышенный интерес вызывают термофилы, которые менее чувствительны к контаминации и обладают более высокими кинетическими характеристиками. Кроме того, термофилы продуцируют термостабильные вещества, главным образом, ферменты.
Существенное влияние на рост культуры и образование продукта оказывает кислотно-щелочная реакция среды. Наиболее часто промышленные микроорганизмы культивируют при рН 4-8. Некоторые дрожжи и плесневые грибы хорошо растут в кислой среде при рН 3-4, и это свойство можно использовать для борьбы с бактериальной инфекцией.