Лекція 8�Поживні середовища в біотехнології

Типова схема мікробіологічного виробництва

Поживне середовище – це особливий субстрат для культивування мікроорганізмів.

Потреби до живильних середовищ:

• збалансованість за поживними компонентами,
• добра розчинність компонентів,
• стерильність,
• стабільність,
• нетоксичність.

​

​

До складу поживних середовищ повинні входити

• елементи-біогени (вуглець, водень, кисень, азот),
• зольні макроелементи (фосфор, сірка, калій, кальцій, магній, залізо),
• деякі мікроелементи (марганець, мідь, цинк, кобальт, молібден, йод та ін.)
• фактори росту
• вода.

За походженням

• Натуральні (овочеві чи фруктові соки, м’ясо, кров, молоко, відвари або екстракти, одержані з м’яса, риби, грунту, гною, овочів)
• Синтетичні
• Напівсинтетичні

За консистенцією

• Рідкі
• Сипучі
• Щільні

Для ущільнення використовують агар-агар або желатин. У промисловості використовують природні щільні субстрати (буряковий або виноградний жом, висівки рису, букову стружку).

​

За призначенням

1.середовища загального призначення (придатні для вирощування багатьох видів мікроорганізмів і можуть застосовуватися як основа для приготування спеціальних поживних середовищ)

2. спеціальні (консервуючі, елективні (виборчі), диференціально-діагностичні (індикаторні)

Причини інгібування поживних середовищ та способи відновлення

1. Умови та термін зберігання
2. Нагрівання середовища, що містить глюкозу
3. Жирні кислоти
4. Неадекватне відновлення середовища
5. Перекису

Вуглецвмісна сировина у мікробіологічному виробництві

• Вуглеводи (глюкоза, сахароза, лактоза, крохмаль)
• Гідрол (залишок після виділення кристалічної глюкози, що містить до 50 % редукуючих цукрів)
• Меляса (побічний продукт цукрового і крохмале-патокового виробництва, містить до 50 % сахарози та 5 % інвертних цукрів, серед яких 2 % рафінози)
• Мелясна й ацетоно-бутилова барда
• Гідролізати деревини та соломи
• Сульфітні гідролізати (одержують після відділення целюлозних волокон із деревини, обробленої при підвищеній температурі сумішшю сірчаної кислоти з водними розчинами бі- і моносульфітів; сумарна кількість цукрів – 3.0-3.5 %, 68 % яких зброджується)
• Молочна сироватка (містить до 70 % лактози)
• Спирти (етанол і метанол)
• Вуглеводні (н-парафіни, природний газ)

​

Азотвмісна сировина у мікробіологічному виробництві

• Органічні речовини, які містять відновлений азот (білки, пептони, амінокислоти)
• Мінеральні сполуки, зокрема відновлені форми азоту (аміак або амонійні солі сульфатної, хлоридної чи нітратної кислот)
• Кукурудзяний екстракт (містить 6-8 % азотовмісних сполук)
• Соєва мука
• Гідролізати, екстракти дріжджів або дріжджовий автолізат
• Гідролізат казеїну
• Відходи переробки зерна – висівки, які попередньо екстрагують, гідролізують або ферментують
• Альбумінове молоко – продукт молочної промисловості, багатий білками, мінеральними елементами і вітамінами.
• Риб’яче борошно

Для біосинтезу цільового продукту істотне значення має співвідношення кількості присутніх у середовищі азоту і вуглецю. Для кожного штаму-продуцента ця величина буде різною.

C:N

​

​

Перед тим, як розпочати мікробіологічне виробництво на тій чи іншій сировині, завжди проводять її економічну оцінку. При цьому підраховують, наскільки рентабельним буде виробництво, виходячи з вартості сировини і кількості отриманого цільового продукту.

​

Підготовка поживного середовища

• Рідкі – в апаратах-змішувачах, куди завантажують окремі компоненти

​

• Складні комплексні – у кількох змішувачах

​

Підготовка поживних середовищ включає ряд операцій:

• зберігання компонентів поживних середовищ та допоміжних речовин;
• контроль показників якості;
• дозування та приготування композиції компонентів поживного середовища;
• стерилізація.

​

Додаткові операції

• Освітлення
• Емульгування
• Подрібнення

​

​

Стерилізація поживного середовища

• Термічна (вологий та сухий жар)

​

• Холодна (хімічна стерилізація, фільтрування)

​

Типи стерилізації живильних середовищ на виробництві

1.Циклічна стерилізація, яку проводять за допомогою змієвика, що дозволяє короткотривало нагрівати середовище до високої температури (121 С), видержувати 30-40 хвилин, після чого охолоджувати. Такі операції повторюють декілька разів. Повний цикл – 3-4 години.

2. Непереривна стерилізація у потоці – установка складається із нагрівателя, витримувача і холодильника. Забезпечує миттєву стерилізацію при 150-160 С.Середовище готують у окремому ферментері, а потім насосом прокачують через обладнання для стерилізації у стерильний ферментер.

3. Метод фільтрування часто застосовують для стерилізації субстратів, які не витримують нагрівання (рідких середовищ і розчинів, до яких входять термолабільні білки, вітаміни, цукри, деякі антибіотики). Спосіб полягає у пропусканні рідин через спеціальні дрібнопористі фільтри, діаметр пор яких менший за розміри бактерій

Установка безперервної стерилізації (УБС) живильного середовища: 1-приймач концентрату живильного середовища, 2 - фільтр для відділення грудок середовища, 3 - насос, 4 - паровий інжектор, 5 - витримувач трубчастого типу, згорнутий у вигляді плоскої спіралі, 6 - теплообмінник.

Установка безперервної стерилізації живильного середовища з рекуперацією тепла: 1 – приймач концентрату середовища, 2 – фільтр, 3 – насос, 4 – пластинчастий теплообмінник-рекуператор, 5 – теплообмінник-доохолоджувач, 6 – паровий ежектор, 7 – витримувач трубчастого типу, розділений на секції.

Деякі області практичного застосування мембранної фільтрації

Схема апаратурного оформлення процесу фільтрації на вакуум-барабанному фільтрі з намивним шаром: Р - апарат для суспензії допоміжного матеріалу, 2, 4,7 - насоси, 3 - коагулятор, 5 - вакуум-барабанний фільтр з намивним шаром, 6 - ресивер.

Більшість широко розповсюджених поживних середовищ можна придбати у фірм-виробників, які наводять склад середовища та інструкцію щодо його приготування. Перед покупкою поживного середовища треба випробувати його здатність забезпечувати необхідний ріст клітин-продуцентів і утворення цільового продукту.

​

За промислового культивування готують так званий матковий розчин: розчин середовища в 10 або 100 разів більш концентрований, ніж остаточний робочий. Маткові розчини розводять до необхідної концентрації компонентів безпосередньо перед використанням.

​

Контроль стерильності поживних середовищ�

здійснюють проведенням мікробіологічних проб: розбавляють у співвідношенні 1:100 та інкубують у стандартних умовах (37 ^оС протягом 7 діб). Відсутність росту бактерій і грибів свідчить про стерильність проби. При перевірці аналітичної мембрани на стерильність її поміщають в умови, сприятливі для росту бактерій

Контроль токсичності поживних середовищ�

Багато компонентів поживного середовища нестабільні та в процесі зберігання втрачають свою активність. Щоб усунути це, готують їх окремо перед використанням, скорочують терміни зберігання або зберігають в умовах, що уповільнюють процес деградації.