Культивирование и рост микроорганизмов

 

1. Способы выращивания микроорганизмов

2. Закономерности роста культур микроорганизмов при периодическом выращивании

3. Непрерывное культивирование. Устройство ферментера

 

 

1. Рост – это увеличение размеров, биомассы за счет усвоенных организмом питательных веществ.

Биомасса – это общая масса клеток микроорганизма в культуре.

Скорость роста – это интенсивность образования биомассы.

Развитие – это изменение морфологических и физиологических свойств в процессе онтогенеза.

В промышленных условиях используют: поверхностный, или твердофазный способ, и глубинный, или жидкофазный способ выращивания микроорганизмов.

Поверхностный осуществляется на твердых, сыпучих средах или на поверхности тонкого слоя жидкости. Пригоден только для аэрофилов.

Основой питательной среды служат отходы различных производств (отруби, жмых, шелуха от семечек). Способ трудоемок, занимает много площадей, требует кондиционирования воздуха, трудно автоматизируется. Выращивают в основном грибы, получают ферментные препараты. Более выгодный глубинный способ, осуществляемый в специальных аппаратах- ферментерах.

Клетки культуры суспендированы в жидкости, находятся во взвешенном состоянии. Имеются устройства, регулирующие и контролирующие рН, температуру, наличие кислорода и т.д.

Экономически более выгоден, но необходима работа с культурой, чтобы повысить активность ферментов.

2. Поверхностное культивирование всегда периодическое; глубинное может быть периодическим и непрерывным. Суть периодического состоит в том, что культура выращивается на несменяемой питательной среде. Весь объем среды загружают сразу в аппарат, вносят посевной материал (споры, вегетативные клетки), перемешивают и ведут ферментацию (выращивание) до определенного количества биомассы или продукта метаболизма. В этом случае создается закрытая биологическая система. В процессе роста культуры можно выделить 6 фаз:

1) лаг-фаза

2) переходная

3) логарифмическая (экспоненциальная)

4) затухающего роста

5) стационарная

6) отмирания

Лаг-фаза – фаза адаптации

культура не растет, но клетки увеличиваются в объеме за счет собственных ресурсов.

Количество ДНК не увеличивается, т.к. клетки не делятся. Достигнув определенного объема, клетки начинают делиться, наступает 2 фаза. Время между двумя последовательными делениями называется временем генерации. Если обозначить исходное число клеток через С₀, тогда через данное число генераций n, общее число клеток составит:

C_t=C₀*2ⁿ

Скорость роста растет от 0 до 1, достигает максимума, культура переходит в 3 фазу.

Активно работает генетический аппарат, клетки интенсивно делятся. За короткий промежуток времени биомасса значительно увеличивается. Важный показатель этой фазы удельная скорость роста

- концентрация питательного субстрата

- константа, которая соответствует концентрации субстрата, при которой

Фаза короткая т.к. быстро потребляются питательные вещества, накапливаются продукты метаболизма. Постепенно начинается голодание клеток и отравление их метаболитами (4 фаза).

Константа скорости роста снижается от 1 до 0 и наступает стационарная фаза. Она самая длинная, . В культуре присутствуют разные клетки. Продолжительность до 24 часов. Затем начинается отмирание.

 

3. Разработали непрерывное культивирование Лебедев и Иерусалимский. Сущность состоит в том, что создается открытая система: в ферментере постоянно обновляется питательная среда и отводятся продукты метаболизма, в результате этого количество клеток относительно постоянно и культура остается долгое время в одном физиологическом состоянии.

Может быть гомогенно-непрерывный процесс, когда работает 1 ферментер, а может быть гетерогенно-непрерывный (несколько ферментеров, в каждом из которых поддерживаются постоянные условия, но отличные от условий в другом).

Скорость увеличения биомассы в потоке

- биомасса

- изменение биомассы

- удельная скорость роста

- скорость разбавления культуры питательной средой

- скорость притока субстрата или питательной среды

- объем ферментера

Различают турбидостатный и хемостатный процесс. При турбидостатном – концентрация клеток в объёме ферментера регулируется скоростью подачи субстрата (концентрация субстрата постоянна). При хемостатном – концентрацию субстрата меняют, а скорость постоянна.

Преимущества непрерывного выращивания:

1) Процесс идет с равномерной скоростью выращивания

2) Однородность и стандартность полученного продукта

3) Высокая продуктивность

4) Полная переработка субстрата

5) Создается открытая система, которая легко автоматизируется