МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008
Розділ 3. РІСТ І РОЗМНОЖЕННЯ БАКТЕРІЙ
Безперервне культивування
Указаних змін, які мають місце при періодичному культивуванні, можна уникнути, використовуючи метод безперервного культивування. При цьому в інокулятор (ферментер) певними порціями надходить стерильне повноцінне поживне середовище, а з нього з певною швидкістю відбирається культуральна рідина (середовище з мікробними клітинами та продуктами їхнього метаболізму). Тим самим для культури створюється можливість тривалий час перебувати у фазі експоненційного росту при постійній концентрації субстрату і незмінних інших умов.
Для безперервного культивування характерна постійна подача свіжих поживних компонентів із швидкістю, що дорівнює швидкості видалення культуральної рідини. Якщо культура добре перемішується, то проби, які відбираються з будь-якої частини ферментера, будуть однакові за біомасою і концентрацією субстрату.
При безперервному культивуванні теоретично бактерії ростуть експоненційно, а тому об'єм культури з часом не змінюється. Такий принцип покладений в основу безперервного культивування в хемостатах і турбідостатах.
Хемостат (див. рис. 3.12) має культиватор (ферментер), в який із спеціального резервуара з постійною швидкістю надходить поживне середовище. Завдяки аерації та постійному перемішуванню в культиваторі створюються оптимальні умови для забезпечення киснем і рівномірного розподілу поживних речовин, що надходять з новими порціями розчину. У міру надходження в культиватор поживного розчину з нього витікає культуральна рідина, що можна забезпечити системою подвійного насоса (для введення свіжого середовища і вилучення культуральної рідини).
Рис. 3.12. Безперервне культивування в хемостаті і турбідостаті
Подвійний насос і система регулювання рівня та стану середовища забезпечують практично постійні умови для розвитку культури.
Ріст бактеріальної культури в хемостаті контролюється концентрацією субстрату. На такому обмеженні швидкості росту концентрацією одного з необхідних субстратів (джерело азоту, сірки чи фосфору, донор водню) базується стабільність системи.
Безперервному культивуванню завжди передує періодичне культивування, у процесі якого за рахунок надлишку субстрату накопичується біомаса. Безперервне культивування необхідно розпочинати в той момент, коли в періодичному режимі культура досягає експоненційної фази. Це забезпечує зменшення коливань, спричинених подачею середовища, і виключається вимивання культури, пов'язане з наявністю lag-фази.
Ріст культури у ферментері відбувається за експоненційним законом. Швидкість приросту біомаси визначається рівнянням:
, тобто
щільність бактеріальної суспензії росте експоненційно:
.
Швидкість зміни щільності бактеріальної суспензії визначається як 
де D - швидкість розбавлення культури, год-1:
, де F - швидкість протікання середовища, мл/хв; V- об'єм культиватора.
Якщо μ = D, то втрати внаслідок вимивання клітин і приріст біомаси врівноважують одне одного, тобто зміни дорівнюють нулю, а щільність бактеріальної суспензії Х залишається постійною. Культура при цьому перебуває в стані "динамічної рівноваги». Експоненційне збільшення кількості клітин компенсується експоненційним його зменшенням.
Стабільність динамічної рівноваги культури в хемостаті базується на обмеженні швидкості росту кількістю субстрату. Хемостат є саморегулюючою, простою в роботі системою. Якщо швидкість протікання середовища протягом тривалого часу залишається постійною, то регуляція роботи хемостату здійснюється автоматично.
Турбідостат (див. рис. 3.12) - це найпростіша з усіх систем безперервного культивування. Принцип роботи турбідостату базується на підтриманні постійної щільності бактеріальної суспензії або постійної мутності. На відміну від хемостату концентрацію біомаси в турбідостаті обирає оператор, а швидкість розведення і, відповідно, концентрація субстратів підтримується таким чином, щоб зберігався заданий рівень біомаси. Звідси випливає, що за відсутності потреби в лімітуванні кількості субстрату він додається з надлишком. Тому робота системи найбільш стабільна при питомій швидкості росту культури, близькій до максимальної μmax. Щільність біомаси контролюється фотоелементом, з'єднаним з реле, що регулює подачу середовища. Якщо щільність біомаси досягає заданого рівня, спрацьовує реле, у культиватор надходить свіжа порція поживного середовища, що супроводжується зменшенням концентрації клітин до певного рівня, і автоматично відключається подача середовища.
Термін "турбідостат" належить до будь-якого методу, в якому щільність клітин підтримується на одному рівні. Він об'єднує методи, засновані на змінах метаболізму, які вимірюються за допомогою "pH-стату" чи "СO2-стату". Оскільки основні метаболічні функції (поглинання кисню, виділення СО2, зміни pH та ін.) пов'язані зі швидкістю росту клітин і в кінцевому результаті - з питомою швидкістю росту культури, їх можна використовувати як показникові перемінні при регулюванні потоку середовища.