Виробниче культивування

Узагальнена схема процесу промислової

ферментації. Продукт, що виділяється

або в клітинах, або в культуральному середовищі,

але не в обох фракціях одночасно, так

що подальші маніпуляції проводять з

однією з цих фракцій.

Способи культивування мікроорганізмів

• Розрізняють два : поверхневий і глибинний.
• При поверхневому культивуванні мікроорганізми вирощують на поверхні тонкого шару рідкого чи щільного субстрату.
• При глибинному культивуванні розрізняють відкриті і замкнуті системи. У відкритих системах клітини легко вимиваються (видаляються) і утворюються нові, у замкнутих – кількість клітин постійно збільшується.

• Поверхневим способом культивування найчастіше вирощують гриби. Стерилізують шляхом прямого введення пару у середовище, яке потім перемішують. Іноді для знезараження застосовують бактерицидні речовини (формальдегід та ін.), які потім видаляються.

​

Схема поверхневого культивування

Глибинне культивування

• основний спосіб, який використовують на мікробіологічних виробництвах.
• розрізняють відкриті і замкнуті системи.

Переваги глибинного культивування

- менш трудомістке,

- потребує менше площ,

- має меншу ймовірність інфікування,

- існує можливість ретельнішого контролю виробництва,

- його легше автоматизувати

- легше отримати вищий вихід цільового продукту.

​

Глибинне культивування можна здійснювати

• у ферментерах періодичної дії,
• у ферментерах періодичної дії з додаванням субстрату
• при безперервному режимі.

​

Культивування

• у ферментерах періодичної дії,
• при безперервному режимі.

​

• Аеробне
• Анаеробне

​

• Клітини
• ферменти

​

​

Періодична культура

мікроорганізми вирощують у стерильних умовах без додавання протягом ферментації свіжого поживного середовища. При цьому склад середовища, концентрація біомаси мікроорганізмів, хімічний склад клітин і кількість метаболіту залежать від фази росту, клітинного метаболізму та наявності поживних речовин.

Лаг-фаза

клітини адаптуються до нових умов існування. У ході такої адаптації може здійснитися включення нових шляхів метаболізму, які раніш не проявлялися.

Тривалість лаг-фази залежить від

• стану інокуляту,
• віку культури у момент інокуляції,
• обсягу інокулята по відношенню до стерильного поживного середовища,
• часу, протягом якого клітини посівного матеріалу знаходились у стаціонарній фазі,
• зміни умов зростання посівного матеріалу.

Діауксія

якщо поживне середовище містить два джерела вуглецю, то у культурі мікроорганізмів можна спостерігати дві послідовні лаг-фази. Це явище, пояснюється зміною метаболізму клітин після утилізації основного джерела вуглецю. В основі такого послідовного засвоєння субстрату лежить явище катаболітної репресії.

​

Фаза логарифмічного або експоненціального росту

• кількість біомаси збільшується за експонентою
• висока біохімічна активність клітин
• зведений до мінімуму вплив лімітуючих чинників і інгибуючих компонентів
• ріст культури проходить з максимальною швидкістю, яка генетично детермінована у клітині.

Експоненційний ріст одноклітинних організмів

Стаціонарна фаза

Настає у результаті виснаження лімітуючого субстрату (наприклад, джерела вуглецю), чи накопичення токсичних продуктів метаболізму, що сповільняють ріст.

Кількість загиблих клітин дорівнює кількості клітин, які з’явилися у результати поділу

​

• Інтенсивність обмінних процесів у стаціонарній фазі знижується,

накопичуються у значній кількості вторинні метаболіти (що являють собою комерційний інтерес, наприклад, антибіотики), токсичні продути обміну, вичерпуються поживні речовини.

Фаза відмирання

У якийсь момент часу культивування в періодичному режимі настає виснаження живильних речовин і накопичується така кількість токсичних речовин, що популяція не може підтримувати свого існування на колишньому рівні.

Енергетичні запаси клітин стають вичерпаними і метаболізм завершується

У фазі відмирання в культурі накопичується значна кількість ендогенних ауторегуляторних факторів, які впливають на чисельність популяції і перехід вегетативних клітин у стан спокою. У більшості промислових процесів ферментацію зупиняють і клітини збирають ще до наступлення фази відмирання.

​

Параметри кривої росту періодичної культури�

1. врожай (вихід) біомаси,

2. швидкість росту,

3. тривалість лаг-фази (у разі, якщо ріст періодичної культури аналізують за збільшенням біомаси, а не за кількістю клітин).

​

Параметри росту: А – урожай клітин (біомаса); Б – швидкість росту; В – тривалість лаг-фази.�

Вихід біомаси

Кількість біомаси, досягнута під час стаціонарної фази

• Урожай (біомаса, рівень біомаси) – це різниця між максимальною та вихідною біомасою бактерій:
• X = X_max. –X₀.

​

Прямі методи� вимірювання біомаси

визначення загального азоту (наприклад, за методом К’єльдаля) або загального вмісту вуглецю

визначення вмісту білка (наприклад, за Лоурі)

визначення абсолютно сухої ваги клітин ваговим методом (після осадження клітин центрифугуванням)

Непрямі методи вимірювання біомаси

визначення показників інтенсивності метаболізму, безпосередньо пов’язаних з ростом поглинання кисню або утворенням вуглекислого газу.

визначення біомаси за оптичною густиною клітинної суспензії за допомогою оптичних приладів;

Питома швидкість росту (μ)

залежить від концентрації лімітуючого субстрату (джерела вуглецю або азоту) S, максимальної питомої швидкості росту μ_mах і субстратспецифічної константи K_s

​

Економічний коефіцієнт:

• відношення урожаю до кількості спожитого субстрату – X/S.
• Y= X/S
• Якщо врожай у грамах відноситься до кількості молей спожитого субстрату, то одержану величину називають молярним економічним коефіцієнтом.

​

Зміна у часі концентрації клітин та субстрату в періодичній культурі (А), періодичній культурі з додаванням субстрату (Б) та у безперервній культурі (В).

Ферментер періодичної дії (1 - турбінна триярусна мішалка, 2 - охолодний змійовик, 3 - секційна сорочка, 4 - відбивна перегородка, 5 - барботер, П-пар); I—XI — матеріальні та допоміжні трубопроводи із запірно-регулюючими пристроями (I — посівна лінія, II —подача стерильного стисненого повітря, III — подача пари, IV — видалення відпрацьованого повітря, V — завантажувальна лінія, VI — лінія введення добавок, VII - Подача піногасника, VIII - подача миючого розчину, IX - пробовідбірник, X - Видача продукту, XI - Видача в каналізацію через нижній спуск).

Ферментер безперервної дії з ежекційною системою аерації (Б-50): 1 — кільцевий Канал, 2 — повітропровід, 3 — піногасник, 4 — сепаратор, 5 — циліндр, 6 — привід, 7 — теплообмінник, 8 — дифузор, 9 — циліндрична склянка, 10 — ежекційна пристрій.�