Материал: Melnuchuk_Promuslova biotexnologij

РОЗДІЛ 4. ТИПИ ФЕРМЕНЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

Хід роботи:

Проведення екскурсії та знайомство з типами ферментаційних процесів:

-Періодичним аеробним рідкофазним;

-Проточним в лабораторному ферментері на гетеротрофному субстраті;

-Проточному в лабораторному ферментері на газовому субстраті;

-Відвідування дослідного виробництва мікробіологічних препаратів.

Робота № 12. Періодичне культивування мікроорганізмів та культивування з підживленням субстратів

Найпростіше лабораторне обладнання для вирощування мікроорганізмів у періодичному режимі включає термостатуєму качалку або магнітні мішалки, на які встановлюються колби (рис.22).

Мета роботи: вивчення техніки культивування мікроорганізмів в режимі періодичного процесу.

Матеріали та обладнання:

1.Музейна культура штаму R. eutrophus B-5786;

2.Стерильний розчин базового фосфатного буфера для середовища;

3.Маточні стерильні розчини мікроелементів, заліза лимонно-кислого, сульфату магнію і хлористого амонію;

4.Шпателі, спиртівка, мірний посуд, піпетки, колби для вирощування бактерій, гумові пробки з мікробіологічними фільтрами;

5.Термостатуєма качалка, газгольдер, вакуумний насос, газові субстрати (водень, кисень, вуглекислота).

Рис. 22. Апаратурна схема культивування мікроорганізмів при періодичному режимі:

1- холодильна камера для зберігання штамів-продуцентів; 2 – колекція штамів; 3- ламінар-бокс; 4 – УФ-опромінення; 5 – колби для отримання накопичувальних культур; 6 – фільтр; 7 – качалка; 8 – колби для отримання посівного матеріалу; 9 – платформа для колб; 10 – електродвигун; 11 – блок термостабілізації; 12 – колби на магнітних мішалках; 13 – регулятор току.

62

РОЗДІЛ 4. ТИПИ ФЕРМЕНЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

Робота № 13. Проточні культури: хемостат, турбідостат

Метод проточного культивування увійшов до промислової біотехнології і базується на процесах хімічної технології. Принцип проточного культивування полягає в тому, що до біореактора, де розмножуються мікроорганізми, безперервно подається свіже живильне середовище і одночасно відбирається такий же обсяг культури. За таким принципом організовуються два різних процеси культивування: процес повного витіснення і процес повного змішування. У першому випадку біореактор для вирощування являє собою тубус, тубулярний ферментер, у який подається живильне середовище і посівний матеріал і відбирається культура (рис.23). Перемішування не відбувається.

Рис.23. Схема тубулярного біореактору повного витиснення:

концентрація субстрату: S0 –у середовищі, що подається до ферментеру; S1 –у середовищі, що відбирається; S – у ферментері; щільність популяції: Х0 – популяції, що є посівним матеріалом, Х – у ферментері, Х1 – у культурі, що відбирається; Р – продукт.

Подібним чином можна культивувати мікроорганізми, що не потребують аерації. З одного кінця ферментера, куди подається середовище і культура, клітини знаходяться на початку стадії росту; в міру проходження клітинами фаз росту культура "старіє", вичерпується субстрат, накопичуються продукти метаболізму і перед витіканням культура перебуває в стані, аналогічному стаціонарній фазі росту періодичної культури. Таким чином, у ферментері відтворюється повна крива росту, але не в часі, а в просторі.

Безперервні процеси. У безперервних процесах біооб'єкт постійно підтримується в експоненційній фазі росту. Забезпечується безперервний приплив свіжого живильного середовища в біореактор і відтік з нього натуральної рідини, що містить клітини та продукти їх життєдіяльності.

Фундаментальним принципом безперервних процесів служить рівновага між приростом біомаси за рахунок поділу клітин та їх спадом в результаті розбавлення свіжим середовищем:

μ = D,

де μ – питома швидкість росту клітин, D – коефіцієнт розбавлення (швидкість убутку концентрації клітин). Розрізняють хемостатний та турбідостатний режими безперервного культивування.

У процесі повного змішування ріст відбувається в ємності - ферментері при інтенсивному перемішуванні (рис.24).

64

РОЗДІЛ 4. ТИПИ ФЕРМЕНЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

Перемішування досягається продуванням повітря або роботою мішалки або тим і іншим способом одночасно. У всій масі культури умови повинні бути абсолютно однаковими. Цей метод культивування називається гомогенно-безперервним або гомогенно-проточним. У ферментері створюються умови, відповідні одній точці кривої росту. При швидкому протоці середовища ці умови близькі до швидкого експоненціального росту, при повільному - наближаються до умов

Рис.24. Схеми біореакторів для проточного культивування мікроорганізмів:

А - Хемостат; Б - турбідостат з автоматичною регуляцією оптичної щільності; 1 - надходження середовища, 2 - мішалка, 3 - збирання культури, 4 - насос, 5 -

фотоелемент, 6 - джерело світла

стаціонарної фази. При такому методі культивування може бути відтворена будь-яка періодична культура від початку уповільнення росту після експоненційної фази і до кінця стадії уповільнення. У сталому режимі швидкість протоку середовища дорівнює питомій швидкості росту культури. При цьому культура знаходиться в стійкому стані динамічної рівноваги і володіє здатністю адаптуватися до змін умов.

При хемостатному режимі культивування в біореактор з постійною контрольованою швидкістю подають живильне середу, один з компонентів якого надходить у кількості, що не є достатньою для забезпечення максимальної швидкості росту культури. У цьому випадку реактор з біооб'єктом набуває властивості саморегульованої системи, автоматично задовольняє рівності μ = D. Якщо спочатку швидкість розбавляння і вимивання біомаси перевищує швидкість росту клітин, то наступає розбавлення культури свіжим середовищем. Це веде до підвищення концентрації компонента, що обмежує ріст, внаслідок чого швидкість росту культури збільшується. Як тільки μ перевищить D, в реакторі починає концентруватися біомаса. Подальше збільшення популяція клітин все активніше призводить до зменшення концентрації живильних елементів у субстраті, його концентрація падає, що, у свою чергу, веде до гальмування росту культури. Таким чином, після серії згасаючих коливань швидкість росту культури стає рівною швидкості росту її розведення.

65