Влияние концентрации субстрата и факторов среды на кинетику роста микроорганизмов.

Продуктивность процесса культивирования микроорганизмов зависит от скорости роста популяции микроорганизмов, параметров культивирования, состава питательного субстрата и т. д. То есть процесс культивирования микроорганизмов многофакторный и однозначно математически его выразить сложно. Для его описания различные авторы использовали различные уравнения.

Наиболее простое и широко используемое количественное описание влияние концентрации субстрата на скорость роста микроорганизмов было дано в работах Моно. Он ввёл понятие «урожайность», которое сейчас называется экономическим коэффициентом роста –Y=|dX|/|dS|.

Под экономическим коэффициентом Y понимают отношение величины прироста биомассы к количеству потреблённого субстрата питательной среды.

Это понятие позволило связать концентрации биомассы и субстрата, меняющиеся во времени, и явилось одним из фундоментальных положений кинетики микробиологических процессов. Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах (периодическое культивирование) имеют сложный характер (рис 1.1). Выделяют несколько фаз в развитии культуры.

ü После введения инокулята обычно наблюдают индукционный период (лаг-фазу) (1), в течение которого не происходит сколько-нибудь заметного увеличения числа клеток или образования каких-либо продуктов. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию новых субстратов, активируется биосинтез белка.

ü Индукционный период сменяется фазой экспоненциального роста (2), в течение которой быстро накапливаются биомасса и продукты разных реакций. Эта фаза достаточно строго описывается экспоненциальной кривой.

ü В замкнутой системе экспоненциальная фаза роста не может развиваться неограниченно. Как правило, она переходит в фазу линейного роста (3), характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры, имеет место отклонение от точек в сторону меньших значений количества клеток или продуктов, что служит экспериментальным критерием перехода культуры в линейную фазу роста.

ü Фаза линейного роста может смениться весьма непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста (4).

ü В некоторых случаях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую по продолжительности стационарную фазу. В этих условиях культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток.

ü Режим характеризуется достаточно высокими скоростями отмирания клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток.

ü Если система полностью истощается по субстрату или накопление ингибирующих рост продуктов является значительным, то скорость прироста биомассы становится равной нулю, происходят существенные физиологические изменения клеток и, как правило, наблюдается фаза отмирания культуры (6) , сопровождаемая часто полным лизисом клеток.