12. Принципы составления питательных сред. Оптимизация состава питательной среды методами математического планирования.

Основной принцип составления питательных сред – удовлетворение физиологических потребностей микроорганизмов.

В каталогах культур и определителях указаны потребности в питательных субстратах, а также оптимальные значения рН и температуры. Из перечня источников углерода, азота, фосфора и других веществ, специалист выбирает наиболее оправданные в экономическом и экологическом отношении компоненты. Для каждого продуцента подбирается индивидуальный компонентный состав среды.

На первом этапе подбор сред осуществляется в лабораторных экспериментах.

Концентрации основного сырья определяют с учетом коэффициента его конверсии (Y_XS – экономический коэффициент по биомассе и Y_РS – экономический коэффициент по продукту метаболизма). Например, коэффициент конверсии глюкозы в биомассу равен примерно 0,5. Это означает, что для получения 30 г биомассы микроорганизма в среду нужно внести 60 г глюкозы.

Все компоненты в рецептуре питательной среды должны быть взяты в соотношениях, пропорциональных потребностям микроорганизма, и с учетом предполагаемого урожая биомассы.

Рецептуры составляют, пользуясь следующей формулой:

где С_i – концентрация компонента i в сбалансированной питательной среде (i = 1,2,…..,n)$

A_i – коэффициент конверсии компонента i для культивируемого микроорганизма;

S₀ – заданный запас компонента в среде, в единицах концентрации биомассы.

Далее рецептуру питательной среды, подобранную в начальных исследованиях, оптимизируют. Для оптимизации состава питательной среды выбирается один или несколько критериев оптимизации: количество целевого продукта, производительность по целевому продукту, выход целевого продукта по субстрату, минимальная стоимость среды в пересчете на единицу целевого продукта.

При оптимизации среды в лабораторных экспериментах критерием оптимизации является количество целевого продукта.

Основные методы оптимизации:

– однофакторные зависимости (изучается зависимость накопления целевого продукта, от концентрации какого либо субстрата на фоне неизменной концентрации остальных компонентов среды);

– многофакторные зависимости, например,

а) тотальный перебор на прямоугольной сетке. При этом изучается влияние каждого компонента (фактора) на разных уровнях (концентрациях) на фоне разных уровней других факторов;

б) метод Бокса – Уилсона. Принципиальная схема работы по методу Бокса предполагает чередование математических процедур планирования опытов с определенным образом поставленными экспериментами и проведением математической обработки полученных экспериментальных данных. Вблизи исходной точки («фона») ставится специальным образом спланированная небольшая серия опытов, в которой одновременно варьируются все изучаемые факторы, каждый на 2 уровнях (верхнем и нижнем). Результаты этих опытов математически обрабатывают для получения приближенного математического описания процесса (уравнения). Это уравнение используют для определения направления количественного изменения факторов при движении к оптимуму (направление «крутого восхождения») при котором возрастает выходной показатель Р. Далее по программе «крутого восхождения» планируется 3 – 6 проверочных опытов в направлении движения к оптимуму с ожидаемым возрастанием величины Р, рассчитанной по уравнению.

Но так как микробиологические процессы сложны и плохо воспроизводимы, это направление не всегда сразу приводит в абсолютно оптимальную область. В связи с этим, после выполнения программы крутого восхождения лучшая из достигнутых точек выбирается за новый фон. Далее цикл экспериментов по «крутому восхождению» повторяется до тех пор, пока рассчитанный на основании результатов экспериментов специальный статистический критерий Фишера не покажет, что процесс находится в области, близкой к оптимальной.