Лекция 5

Стадии БТ производства. Рост микроорганизмов. Кривая роста. Системы культивирования микроорганизмов (Ферментация, устройство ферментера).

Лекция 4

Стадия ферментации - центральная среди этапов промышленного производства. Под ферментацией понимают всю совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную и термостатированную среду инокулята до завершения процессов роста, биосинтеза или биотрансформации.

При внесении бактерий в питательную среду они обычно растут до тех пор, пока содержание какого-нибудь из необходимых им компонентов Среды не достигнет минимума, после чего рост прекращается. Если на протяжении всего времени не прибавлять питательных веществ и не удалять продуктов обмена, то получится статическая бактериальная культура. Кривая, которая описывает зависимость логарифмов числа клеток от времени – называется кривой роста. Кривая роста имеет S-образную форму. Различают несколько фаз роста, которые сменяют друг друга в определенной последовательности. Начальная фаза (лаг фаза) охватывает промежуток времени между началом роста и достижением максимальной скорости роста. Продолжительность этой фазы зависит от предварительного культивирования, от возраста м/организма, и на сколько пригодна для роста данная питательная среда. В этот период в бактериальных клетках содержание РНК увеличивается в 8-12 раз. Это указывает на участие РНК и рибосом в синтезе необходимых ферментных белков.
Экспоненциальная (логарифмическая_ фаза роста характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость деления во время этой фазы зависит от вида бактерий и от Среды. Одни представители делятся через каждые 15 мин. при температуре 37 С, другие 6-150 мин., даже 5-10 часов. Величина клеток и содержание белка в клетках остаются постоянными.
В вязи с тем что в этой фазе скорость деления клеток относительно постоянна, эта фаза наиболее удобна для определения скорости деления бактерий и для изучения влияния факторов внешней среды на данный вид.
Стационарная фаза наступает тогда, когда число клеток перестает увеличиваться. Скорость роста зависит от концентрации субстрата. Поэтому при уменьшении этой концентрации Наблюдается снижение скорости роста, Переход от экспоненциальной к стационарной фазе роста происходит постепенно. Скорость роста может снижаться и за счет большой плотности бактериальной популяции или из-за накопления токсичных продуктов обмена. В стационарной фазе могут происходить такие процессы, как использование запасных веществ, синтез ферментов, быстро гибнут очень чувствительные клетки. Количество биомассы, достигнутое в стационарной фазе, называют выходом или урожаем.

Рост в непрерывной культуре. В статической культуре условия все время изменяются: плотность популяции бактерий увеличивается, а коцентрация субстрата уменьшается. Для многих физиологических исследований представляется дать возможность клеткам длительное время находится в фазе экспоненциального роста при постоянной концентрации субстрата и неизменных прочих условиях.
Добиться того положения можно, многократно перенося клетки на новую питательную среду. Той же цели можно добиться, если в сосуд, содержащий популяцию растущих клеток, непрерывно вводить новый питательный раствор и одновременно удалять из него соответствующее количество бактериальной суспензии. Такой метод положен в основу непрерывного культивирования в хемостатах и турбидостатах.
Хемостат состоит из сосуда-культиватора, в который из особого резервуара поступает с постоянной скоростью питательный раствор. Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения кислородом и быстрого распределения питательных веществ. По мере поступления в сосуд питательного раствора из сосуда вытекает бактериальная суспензия.
Работа турбидостата основывается на поддержании постоянной плотности бактериальной суспензии или постоянной мутности. Фотоэлемент, который измеряет мутность, регулирует через систему реле поступление питательного раствора. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке и скорость роста бактерий приближается к максимальной.
Основные различия между статической и непрерывной культурой.

1. Статическую культуру можно рассматривать как закрытую систему, которая в своем развитии проходит все фазы роста. Каждый из этих периодов характеризуется определенными условиями. Автоматическое регулирование в статической культуре невозможно.

2. Непрерывная культура представляет собой открытую систему, которая стремится к равновесию.

Ферментация проходит в специальных емкостях, называемых ферментерами или биореакторами. Конструкция биореактора приведена на рис. Основными элементами ферментера являются двойные стенки, промежуток между которыми заполняется охлаждающей или нагревающей жидкостью, входные отверстия для газовых и жидких потоков, система контроля за составом питательной среды и условиями внутри реактора.

Поскольку в промышленной биотехнологии выделяют 2 типа процессов - накопление биомассы и накопление ценных веществ, возникающих в ходе роста и последующего развития культуры, то меняется и характер построения производства во времени. Биомасса одноклеточных выращивается непрерывным способом в аппаратах хемостатного типа, а все процессы второй группы осуществляются периодически, когда в одном и том же аппарате в производственном цикле протекают все необходимые фазы развития клеток и биосинтеза. Процессы двух рассматриваемых типов отличаются по требованиям к степени асептики, что связано с их объёмами - белок одноклеточных выпускается миллионами тонн сухого вещества, а выпуск продуктов второго типа составляет, как максимум, тысячи или десятки тысяч тонн. Поэтому в производстве белковых веществ ограничиваются достаточно высокой, но не 100% степенью асептики, обеспечивая последнюю подбором режима культивирования, подходящего для продуцента, но неблагоприятного для возможных примесных штаммов.

Технологическое оформление процессов промышленной биотехнологии в значительной мере определяется отношением микроорганизма-продуцента к кислороду. При использовании аэробных культур ферментационное оборудование и нормы технологического режима подбираются таким образом, чтобы массообмен (перенос кислорода из газовой в жидкую фазу) обеспечивал поступление кислорода к клеткам в количествах, необходимых и оптимальных для данной культуры в данной фазе роста.

Промышленное использование факультативных анаэробов не ставит задачи абсолютного исключения кислорода из среды, поэтому процессы этого типа (брожение) технологически проще аэробных. В начальной фазе этих процессов требуется лишь удалить кислород из газовой фазы над культуральной жидкостью, что может быть достигнуто введением инертного газа или просто вытеснением воздуха углекислотой, выделяемой клетками при метаболизме.

Технологическое оформление строго анаэробных процессов сложнее, чем для процессов брожения, так как в этом случае необходимо полностью исключить возможность попадания кислорода в газовую, а оттуда и в жидкую среду.

Рис. 3. Устройство ферментера

Вопросы термостатирования ферментационного процесса (подвода или отвода тепла в ходе ферментации) являются очень острыми в целом ряде производств биотехнологии. В аэробных условиях микробиологический синтез протекает со значительным тепловыделением, что вызывает необходимость отвода тепла из аппаратов большого объема (сотни и тысячи кубометров). Технологические требования к скорости теплоотвода очень жесткие из-за узкого температурного оптимума роста культуры (2-3up>оС). Наиболее приемлимый на практике способ теплоотвода - охлаждение водой через змеевики, рубашки и др. устройства - осложняется небольшой разностью температур между содержимым биореактора (32-34^оС для дрожжей Candida) и охлаждающей водой (20^оС), температура которой в жаркое время года еще выше. Поэтому в реакторе создается развитая поверхность газообмена, увеличивается скорость движения жидкостей и т.д.

Важно также поддерживать определенный состав питательной среды. В непрерывных процессах биосинтеза задача технолога сводится к поддержанию концентрации всех питательных веществ (и кислорода) и дозированному введению кислоты или щелочи для рН-статирования системы на заданном уровне. Простейшим вариантом управления стадией ферментации в периодическом режиме является изменение концентраций компонентов среды и её рН, а также введение необходимых добавок по заранее разработанной программе, реализуемой технологом в каждом цикле ферментации. Этот способ относительно прост и легко поддается автоматизации.

Во многих случаях необходимо возможно полно исчерпывать компоненты питательной среды, чтобы они не попадали на последующие стадии переработки. Эта необходимость может быть вызвана рядом причин:

- дороговизна или дефицитность субстрата;

- вредное воздействие субстрата на качество готового продукта(например, при производстве дрожжей на парафинах, когда выделение остаточных количеств углеводородов из клеточной массы затруднено, поэтому добавляют дополнительные секции для дозревания или утилизации запасенных в цитоплазме углеводородов);

- затруднения, возникающие на стадии выделения и очистки метаболитов при одновременном присутствии в культуральной жидкости неутилизированных веществ.

Дата добавления: 2013-12-13