МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012

ГЛАВА 8. РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ

8.4. НЕПРЕРЫВНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

В середине 50-х гг. XX в. был разработан и теоретически обоснован метод непрерывного культивирования микроорганизмов или метод проточных культур. Сущность метода состоит в том, что в ферментер с постоянным объемом все время поступает свежая питательная среда и одновременно с такой же скоростью отводится использованная среда вместе с размножившимися клетками. Таким образом, микроорганизмы все время находятся в постоянных условиях в отношении наличия питательных веществ и продуктов обмена.

Отношение скорости протока (F) или скорости поступления питательной среды в ферментер к объему культуры (V) называется скоростью разбавления D:

Скорость разбавления выражает объем питательной среды, сменяемой в ферментере за 1 час.

Предполагая, что в условиях непрерывного культивирования мгновенный прирост биомассы (μX) компенсируется уносом биомассы с культуральной средой (DX), условием динамического равновесия в ферментере можно считать зависимость:

и, следовательно:

или

Уравнение [8.19] выражает основной принцип непрерывного культивирования — равенство между удельной скоростью роста культуры и скоростью разбавления питательной среды в ферментере. Эта зависимость всегда должна соблюдаться при одноступенчатом непрерывном культивировании микроорганизмов.

Непрерывное культивирование осуществляют следующим образом. Ферментер определенного объема заполняют питательной средой, которую стерилизуют, охлаждают до оптимальной температуры, вносят в среду инокулят и выдерживают в периодических условиях до достижения культурой экспоненциальной фазы роста, после чего начинают подачу питательной среды в ферментер с заранее определенной скоростью протока F.

Для непрерывного культивирования микроорганизмов применяют два основных типа аппаратов — хемостат, разработанный Моно, и турбидостат, разработанный Брайсоном. Эти два аппарата различаются способом, с помощью которого контролируется рост культуры.

Хемостат состоит из сосуда для среды, насоса для перекачивания среды, культиватора, в который поступает с постоянной скоростью свежая питательная среда, и приемного сосуда, в который подается культуральная среда с клетками. Скорость разбавления питательной среды (D) задается заранее, и в зависимости от нее в ферментере устанавливается определенная концентрация клеток. Хемостат оказался очень популярной системой непрерывного культивирования, так как это довольно простая, надежная система, которая может работать в большом диапазоне скоростей разбавления — от критической (D_c) до предельной (D_p). Если скорость разбавления превышает критическую, то культура будет вымываться из культиватора; если же она будет слишком низкой и достигнет предельной, то рост микроорганизмов будет замедляться и культура перейдет в стационарную фазу. Между этими двумя крайними ситуациями культура может размножаться при любой скорости разбавления.

Турбидостат представляет собой систему непрерывного культивирования, в которой задается определенная концентрация клеток, и в зависимости от нее в культиваторе устанавливается скорость разбавления. Рост культуры в турбидостате контролируется с помощью фотоэлемента, отмечающего изменения мутности среды. Сигнал, поступающий от фотоэлемента, через управляющую систему регулирует поступление питательной среды в культиватор. Турбидостат технически сложнее, чем хемостат. Кроме того, турбидостат работает эффективно при высоких скоростях разбавления, близких к μ_maх, так как плотность бактериальной суспензии при таких скоростях невысока и прибор четко реагирует на ее изменение. Если скорость разбавления низкая, мутность среды значительно возрастает и прибор теряет чувствительность.

Системы непрерывного культивирования микроорганизмов могут быть одно- и многоступенчатыми, с простой и сложной подачей питательной среды, открытыми и замкнутыми, гомогенными и гетерогенными.

Непрерывное культивирование используется для получения биомассы микроорганизмов или продуктов их метаболизма. Разработан и широко используется непрерывный метод получения кормовых и пекарских дрожжей. Методом непрерывной ферментации получают антибиотики, витамины, гормоны и другие лекарственные вещества. Многоступенчатые системы непрерывной ферментации применяются в производстве спирта, пива, глицерина, ацетона и бутанола, органических кислот.