Texhoлогия глубинного способа культивирования микроорганизмов

Технологический процесс глубинного выращивания микроорганизмов в реакторах складывается из следующих этапов:

1) подготовка реактора к посеву;

2) отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними;

3) приготовление матровой культуры для засева питательной среды;

4) посев матровой культуры в реактор с питательной средой для получения производственной расплодки микроорганизмов;

5) выращивание микроорганизмов и контроль за ходом процесса культивирования.

Современные реакторы изготовляются из нержавеющей стали и представляют собой довольно сложный аппарат, в который осуществляют закачку соответствующей для культивируемого микроба питательной среды.

Реактор имеет рубашку для нагревания паром и охлаждения водой с соответствующей запорной арматурой. Внутри реактора имеется турбинная механическая или электромагнитная мешалка со скошенными лопастями, вращающимися со скоростью 150— 200 об/мин, и трубка для подачи воздуха. На крышке реактора имеются отверстия для подающей и отводящей воздух трубок, термометра, прибора, измеряющего pH, смотровое окно, окно для освещения и отверстие для вставления четырех сифонов, служащих для внесения посевного материала, взятия проб, внесения пеногасителя, глюкозы и других питательных веществ, а при необходимости и факторов роста. Современные реакторы оснащены различными измерительными приборами-

Регулирование температуры осуществляется автоматически. Регистрация ее, а также измерения pH осуществляются с помощью электронного потенциометра.

При глубинном выращивании микроорганизмов их культуры могут находиться в периодических, или «закрытых», и хемостатных (непрерывных)—«открытых»— системах.

Периодическое культивирование — это аналог выращивания клеточных культур в колбах на качалке. Периодическую культуру можно рассматривать как замкнутую систему, которая в своем развитии проходит четыре фазы — начальную, экспоненциальную, стационарную и отмирания. Условия существования культуры во всех этих фазах различны.

Преимущества периодических систем:

— малая стоимость аппарата и системы управления;

— гибкость, т. е. возможность наработки в одном биореакторе разных продуктов;

— время культивирования можно произвольно менять;

— процесс менее подвержен инфицированию, мутациям ток вследствие отсутствия протока и притока из-за относительно малого времени ферментации;

— процесс удобен для получения малых количеств продукта;

— условия культивирования можно поддерживать в оптимуме как в фазе роста биомассы, так и в фазе биосинтеза продукта, причем оптимальные условия для биомассы и продукта могут быть различны;

— процесс удобен для реализации биосинтеза вторичных метаболитов.

Недостатки:

— необходимость приготовления посевного материала

— велико непродуктивное время ферментации;

— в связи с частой стерилизацией быстрее изнашиваются измерительные приборы, особенно датчики величины рН.

— производительность по биомассе и продукту часто ниже, чем при непрерывном процессе

Проточное (непрерывное) культивирование характеризуется постоянным добавлением в биореактор свежей питательной среды и постоянным отбором либо суспензии (открытое проточное культивирование), либо отработанной среды (закрытое проточное культивирование). Непрерывная культура представляет собой открытую систему, стремящуюся к установлению динамического равновесия. Для микроорганизмов создаются неизменные условия среды. Проточное культивирование конструктивно более сложно и поддерживается автоматическим регулированием, так как связано с включением в схему биореактора дополнительных устройств перистальтических насосов, разделительных устройств и др.

В практике микробиологических исследований широко применяют две разновидности открытого проточного культивирования: хемостатный и турбидостатный методы.

Хемостатный метод культивирования клеток базируется на использовании биореактора, в который с постоянной скоростью подается питательная среда и одновременно же скоростью (например, слив по уровню) отбирается клеточная суспензия. При этом объем выращиваемой суспензии остается постоянным. Хемостат состоит из сосуда-культиватора, в который из особого резервуара поступает постоянной скоростью питательный раствор. Благодаряаэрации и механическому перемешиванию, в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения клеток кислородом и более быстрого и равномерного распределения питательных веществ, поступающих с новыми порциями раствора. Рост культуры в хемостате контролируется концентрацией субстратов. На таком ограничении скорости роста концентрацией одного из необходимых субстратов основана стабильность системы.

Развитие хемостатного культивирования открыло возможность управлять процессом, контролируя рост и поведение микроорганизмов, а при необходимости — вмешиваться в этот процесс, изменяя скорость роста до задаваемых пределов путем воздействия на такую культуру внешними факторами. В настоящее время интерес к непрерывному культивированию растет как в нашей стране, так и за рубежом. Однако, несмотря на преимущества хемостатных культур, в биологической промышленности при производстве вакцин из болезнетворных микробов они не получили еще достаточного применения. Такие культуры применяются при производстве дрожжей и некоторых продуктов микробного синтеза (аминокислоты, антибиотики и др.).

Проведение метода непрерывного культивирования микроорганизмов в условиях максимального выхода продукции может быть достигнуто с применением математического эксперимента (МПЭ). Но для этих целей необходимо использовать ЭВМ.

Турбидостатный метод предусматривает измерение концентрации клеточной биомассы в биореакторе и ее автоматическое поддержание на постоянном уровне путем изменения скорости протока. Работа турбидостата основана на поддержании постоянной плотности суспензии, или постоянной мутности. Датчик мутности регулирует через управляющую систему поступление питательного раствора. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, и скорость роста культуры приближается к максимальной.

Турбидостат используют при скоростях протока, близких к максимальной удельной скорости роста, тогда как хемостат иногда становится неустойчивым и может произойти полное вымывание культуры из биореактора. Работа с турбидостатами технически сложнее, чем с хемостатами.