Особенности роста популяции бактерий

Биореакторы

Биотехнологические процессы принципиально отличаются от процессов химического синтеза и могут быть двух типов: периодическими и непрерывными. Специфика био-технологических процессов состоит в том, что в них участвуют живые клетки, субклеточные структуры или выделенные из клеток ферменты и их комплексы. Это оказывает довольно существенное влияние на процессы массопередачи (обмена веществ между различными фазами – перенос кислорода из газообразной фазы в жидкую) и теплообмена (перераспределение тепловой энергии между взаимодействующими фазами). Поэтому одним из важнейших компонентов биореакторов является система перемешивания, обеспечивающая однородность условий в аппарате, оптимальность массопередачи между фазами реактора, между культуральной жидкостью и клетками и т. д.

Кинетика роста бактериальной популяции не устанавливается кинетикой роста индивидуальной клетки, хотя между ними, несомненно, существует взаимосвязь.

Среднюю валовую (абсолютную) скорость роста (V_ср) за отрезок времени (t₁ –t₀) можно определить по абсолютному приросту биомассы по формуле:

Где m₀– величина биомассы в начале;

m₁ – величина биомассы в конце исследованного отрезка времени.

Скорость размножения бактерий (число удвоений за единицу времени) описывают уравнением:

Где n – число поколений

Продолжительность жизни одного поколения (время генераций) «g» в среднем составляет:

Скорость роста микробной популяции не является величиной неизменной. В развитии популяции различают следующие последовательные стадии: лаг-фаза (фаза адаптации - I); лог-фаза (II, III, IV); стационарная фаза (накопление целевых продуктов - V); автолиз (VI, VII, VIII).

I II III IV V VI VII VIIII

Время в часах

5-9 15-20 25-30 35-40 45-50

Рис. 1. Стадии роста периодической культуры

I – лаг-фаза; II – фаза положительного ускорения; III – фаза логарифмического роста; IV - фаза отрицательного ускорения; V - стационарная фаза; VI – фаза ускоренной гибели; VII - фаза логарифмической гибели; VIII – фаза уменьшения скорости гибели клеток

На оси ординат показана скорость размножения клеток, выраженная логарифмом от числа живых клеток на 1 мл среды.

Эти фазы отражают сложные процессы адаптации бактерий, привнесенных из одной среды обитания в другую, как правило, оптимальную для их размножения. Природа лаг-фазы во многом связана с тем, что в этот период происходит синтез всех компонентов белоксинтезирующей системы и прежде всего такого количества рибосом, которое позволило бы обеспечить максимальную активность всех биосинтетических процессов. Последующие стадии развития периодических культур отражают высокую скорость размножения бактерий. Затем, в силу постепенного истощения источники энергии и других жизненно важных метаболитов, скорость размножения бактерий уменьшается, и в стационарной фазе наступает период некоторого равновесия – количество вновь образующихся клеток становится сопоставим с числом погибших клеток. Вслед за этим наступает стадия, характеризующаяся постепенным уменьшением количества жизнеспособных бактерий.

Это является следствием ряда причин - истощением источников энергии и других жизненно важных метаболитов, невозможности эффективно регулировать рН и rН₂ среды, накопления продуктов метаболизма, тормозящих рост и, возможно, каких-то других факторов.

Очевидно, что популяция бактерий – это тоже саморегулирующаяся система, очень зависящая от среды, истощение которой оказывает на нее отрицательное действие. Жизнеспособные клетки, перенесенные из такой среды в новую питательную среду, вновь повторяют полностью весь цикл развития популяции.

Большинство микробиологических (биотехнологических) производств до недавнего времени основывалось исключительно на применении клеток соответствующих микроорганизмов; многие такие производства существуют и в настоящее время. Это условно называемый «клеточный» уровень биотехнологических процессов. В качестве примера можно назвать разные виды брожения: маслянокислое, молочнокислое, спиртовое и др., а также окислительные процессы (получение уксусной, лимонной, яблочной и других кислот), производство большинства антибиотиков, дрожжей и т.д.

ІV. Иллюстративный материал: прилагается

V. Литература:

основная:

1. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Изд. центр «Академия», - 2008. – 208 с.

2. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций. – Минск.: БГУ, 2002. - 105 с.

3. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: Учебное пособие. – М.: Изд. Центр «Академия». – 2006. – 256 с.

4. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. – Учебное пособие. – Под ред. акад. РАМН В.А. Быкова, проф. А.В Катлинского. – М.: ГЭОТАР-Медиа 2009. – 384 с.

5. Елинов Н.П. Химическая микробиология. - Учебник. - М.: Высшая школа. - 1989, 448 с

6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. - Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ. - 1989, 294 с.

7. Биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. - М.: Мир. - 1988, 480 с.

8. Чуешов В.И., Зайцев А.И., Шебанова С.Г. Промышленная технология лекарств. Том 2. Харьков, 2002.

9. Биотехнология микробного синтеза (Под ред. Бекера М.Е.) – Рига – 1980.

10. Биотехнология. (Отв. редактор А.А. Баев). - М.: Наука. - 1984, 310 с.

11. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов. М., - 1979 г.

12. Промышленная микробиология (Под ред. Егорова Н.С.) – М., 1989 г.

13. Процессы и аппараты химической технологии (Под ред. П.Г. Романкова). – Л. – 1981.

дополнительная:

1. Березов Т.Т., Коровкина Б.Ф. – Биологическая химия (Под ред. И.М. Ивановой) – М., Медицина – 1981 г.

2. Никитин Г.А. – Биохимические основы микробиологических производств – Киев, 1981.

3. Бриттон Г. – Биохимия природных пигментов. М., Мир – 1986 г.

4. Попова Т.В. – Развитие биотехнологии в СССР – М., Наука - 1988 г.

5. Популяционные аспекты биотехнологии – Печуркин Н.С., Брильков А.В., Маркенкова Т.В. – Новосибирск: - Наука – 1990 г.

6. Специальные журналы: «Биотехнология», «Фармация Казахстана», «Фармацевтический бюллетень» и др.

VІ. Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Назовите основные биообъекты, используемые в биотехнологическом производстве?

2. Какие микроорганизмы являются объектами в генетической инженерии?

3. Перечислите методы культивирования биообъектов в биотехнологическом производстве.

4. Перечислите преимущества глубинного культивирования.

5. Перечислите недостатки поверхностного культивирования.

6. На какие фазы подразделяются рост клеточной популяции при периодическом культивировании?

7. Какие условия требуются для роста и культивирования биомассы?

Дата добавления: 2014-01-03