Непрерывное культивирование

В отличие от периодического культивирования в непрерывных процессах питательная среда подается непрерывно, удаление биомассы и продуктов ее жизнедеятельности также осуществляется непрерывно.

Установившиеся режимы непрерывного культивирования характеризуются постоянством концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста популяции.

Непрерывное культивирование проводится в открытой динамической системе, которая может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Эта система способна к длительной работе в постоянном установившемся режиме.

Гомогенные системы идеального смешения. В системе идеального смешения микроорганизмы растут в культуральной среде, постоянной по своему составу, и, следовательно, в каждый данный момент времени находятся в одном и том же физиологическом состоянии, т. е. в состоянии установившегося динамического равновесия, которое называют «steady state».

По количеству ферментеров (стадий, ступеней) гомогенные системы могут быть одностадийными, двухстадийными и многостадийными.

Основным аппаратом для выращивания непрерывной гомогенной культуры является ферментер идеального смешения с устройством для потока среды и слива культуры, поддерживающим постоянный уровень среды. Питательная среда подается в ферментер обычно с помощью насоса. Концентрация всех продуктов внутри ферментера и в вытекающей жидкости одинакова, а скорость разбавления равна удельной скорости роста в состоянии установившегося равновесия.

Указанные процессы имеют технологические преимущества по сравнению с периодическими, поскольку теоретически их можно осуществлять неограниченно длительное время. На практике они обычно прерываются в связи с инфицированием культуры посторонней микрофлорой.

Любой периодический процесс можно перевести в непрерывно-проточный. Непрерывно-проточное культивирование открывает возможности для поддержания постоянных условий роста путем создания такого состава питательной среды, чтобы только один желаемый фактор лимитировал рост. Если в таком процессе плотность популяции определяется химическим составом среды (концентрацией лимитирующего рост фактора), его называют хемостатным культивированием. Изменяя концентрацию лимитирующего рост фактора, можно изменять плотность популяции. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста популяции. При медленном протоке среды, т. е. при медленном росте культура испытывает сильную лимитацию, глубокое голодание по данному субстрату. При быстром протоке среды, т. е. при быстром росте степень голодания слабая, приближающаяся к условиям экспоненциального роста. Хемостатный способ культивирования в строго контролируемых условиях является основным для изучения физиологии, биохимии и вообще всех свойств микробных клеток и культур (рисунок 2).

Рис. 2. Схема функционирования трехстадийного хемостата:

S_o – концентрация субстрата в подаваемой среде, S₁, S₂, S₃ – концентрация субстрата в ферментерах; Х₁, Х₂, Х₃ – концентрация клеток в ферментерах.

 

Хемостат имеет аналоги в природе. Аналогия заключается в том, что подобные устройства – это открытые непрерывные системы, через которые постоянно идут потоки энергии и веществ. Поэтому непрерывное культивирование может моделировать в лаборатории природные условия (например, в водоеме, в пищеварительном тракте) и служить для изучения вопросов экологии. При этом за короткое время можно наблюдать явления, происходящие в природе длительное время и выявить экологические закономерности.

Другой широко известный принцип управления процессом – турбидостат (рисунок 3). В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры. Скорость разбавления сама устанавливается в соответствии с заданной плотностью популяции. Этим

 

Рис. 3. Схема работы турбидостата:

S_o – концентрация субстрата в подаваемой среде, S₁ – концентрация субстрата в вытекающей культуре, Х – концентрация клеток.

 

турбидостат отличается от хемостата, в котором фиксируется скорость разбавления, соответственно которой устанавливается концентрация биомассы. Хотя теоретически взаимосвязь между концентрацией биомассы и скоростью разбавления подчиняется одним и тем же закономерностям в хемостате и турбидостате, методы управления процессами различны. Турбидостат позволяет получать скорости роста; равные максимальной скорости, которые применяются при изучении культур, фиксированных в стадии экспоненциального роста. Хемостаты же применяют при скоростях, разбавления от самой низкой до только приближающейся к максимальной удельной скорости роста. Поскольку в турбидостате скорость роста не фиксирована, при избытке субстрата и постоянных условиях среды в культуре могут отбираться быстро растущие мутанты. Турбидостат также может использоваться для того, чтобы получать мутанты, более устойчивые к ингибирующим рост факторам.

В случае длительного культивирования применение турбидостата связано с определенными трудностями, обусловленными прилипа-нием клеток к поверхности оптического элемента.

В настоящее время разработаны различные варианты непрерывного культивирования микроорганизмов, работающие по принципу турбидостата – pH-стат, оксистат, СО₂-стат, теплостат, вискозистат и т. д., названия которых соответствуют задаваемому параметру. Любой параметр, который изменяется в периодической культуре и на который существует датчик, может быть использован для управления ростом по типу турбидостата.

Необходимо отметить, что управляющими параметрами могут быть комплексные параметры, например, содержание кислорода и углекислоты в отходящем воздухе, характеризующие дыхательный коэффициент.

Непрерывно-проточное культивирование может осуществляться в одном ферментере (одностадийный процесс) или в двух и более ферментерах (многостадийный, многоступенчатый процесс).

В промышленности одностадийный процесс культивирования применяется для получения микробной массы или тех продуктов, кинетика накопления которых повторяет кинетику роста биомассы.

Для получения высоких концентраций биомассы могут быть использованы одностадийные системы с возвратом клеток, в которых клетки, отделенные от культуральной жидкости с помощью насоса, возвращаются обратно в ферментер. Возврат клеток (рециркуляция) имеет значение в тех процессах, в которых за время пребывания в ферментере клетки не успевают реализовать свои потенциальные возможности в отношении синтеза целевого продукта.

Применение многостадийных систем позволяет получать культуру при любой скорости роста – от лаг-фазы до экспоненциальной и стационарной. Многостадийные системы обычно используются для получения вторичных продуктов микробного синтеза, накопление которых в той или иной степени отстает от кинетики роста биомассы. Многостадийное культивирование с успехом применяется при получении молочной кислоты, этилового спирта и т. д. Батарея ферментеров применяется также для переработки высоких концентраций субстрата при получении продуктов как первой, так и второй фазы роста.

Системы культивирования полного вытеснения. Этот способ культивирования используется для анаэробных условий. Открытая система полного вытеснения отличается от системы идеального смешения тем, что культура в ней не перемешивается и представляет собой поток жидкости через трубку. Наиболее распространенным аппаратом является трубчатый реактор (рисунок 4). Он может иметь различную форму (прямую, S-образную, спиральную) и устанавливается горизонтально или вертикально. Система полного вытеснения представляет собой пространственный, проточный вариант периодической культуры. Такая культура за время от посева до выгрузки проходит через все стадии периодической культуры, т. е. фазы роста распределены не во времени, а в пространстве, причем каждой части ферментера в установившемся режиме соответствует определенный отрезок

Рис. 4. Трубчатый ферментер полного вытеснения: So – концентрация субстрата в поступающей среде, S – концентрация субстрата в вытекающей среде, Хо – начальная концентрация биомассы, Хо – концентрация вытекающей биомассы.

кривой роста. Засев осуществляется непрерывно на входе в ферментер одновременно с подачей среды. По такому принципу ведут стадию брожения при производстве пива в башенных проточных емкостях.

Необходимо отметить, что в настоящее время появились ферментационные аппараты, обеспечивающие процессы с режимом, приближающимся к полному вытеснению и при аэробном культивировании. Это вращающиеся трубчатые реакторы с насадкой или внутренними аэрирующими элементами, а также многосекционные колоночные аппараты.

Системы твердожидкостного типа. К системам твердожидкостного типа относятся многофазные системы, в которых культура растет на границе разных фаз: жидкость – твердая фаза, жидкость – твердая фаза – газ. В этих системах клетки удерживаются путем прилипания к твердой основе – наполнителю и размножаются на нем, образуя пленку биомассы. Типичным примером является производство уксуса в стружечных аппаратах.

В процессах аэробного роста лимитирующими факторами, вероятно, являются кислород и субстрат. В тонких пленках биомассы каждая из прикрепленных к поверхности микробных клеток полностью обеспечена питательной средой и способна расти и размножаться с максимальной экспоненциальной скоростью. По мере того как клетки образуют более толстую пленку биомассы, рост их лимитируется диффузией субстрата и кислорода внутрь этой пленки.

Культивирование микроорганизмов, образующих пленки из биомассы, осуществляется в ферментере типа колонки с наполнителем. В качестве наполнителя может использоваться макроноситель (кокс, прутья, стружка, стеклянные шарики и т. д.) или микроноситель (амберлитовые смолы, частички сефадекса и т. д.). Клетки, культивируемые таким образом, называются иммобилизованными.

В промышленной микробиологии системы твердожидкостного типа нашли применение в «оросительных фильтрах» при очистке сточных вод, в производстве органических растворителей и кислот, в сбраживании гидролизатов древесины на спирт и т. д.

Культивирование на твердом носителе используется также при изучении метаболической активности природных микробных популяций. При пропускании различных растворов через колонку из образца почвы, служащего носителем, получают модели условий, близких кприродным. Широкое применение нашли многофазные системы в производстве пива.

К многофазным системам твердожидкостного типа относятся и такие, в которых твердой фазой является сама культура, образующая пленки на поверхности жидкой протекающей питательной среды. Рост микроорганизмов в этом случае осуществляется в специальной горизонтальной емкости. Эта система используется, например, для получения винного уксуса в горизонтально лежащих бочках и лимонной кислоты при выращивании пленки в кюветах.

Таким образом, между периодическим и непрерывным культивированием существует большое разнообразие типов процессов культивирования (рисунок 5). Каждый из промежуточных типов можно использовать в зависимости от задачи исследования или цели производства.

Рис.5. Основные методы культивирования микроорганизмов.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: