 |
Жидкофазное поверхностное культивирование
|
|
|
|
Поверхностные жидкофазные процессы в биотехнологических производствах используют для культивирования мицелиальных грибов при получении органических кислот, ферментных препаратов, кормовой биомассы. Для этих целей применяется кюветный способ культивирования. Среда загружается в стерильные кюветы, размещаемые на открытых стеллажах в растильных камерах с регулируемым температурно-влажностным режимом. Вентиляцию помещений осуществляют очищенным стерильным воздухом, который одновременно выполняет функцию теплового агента.
Микроорганизмы растут в виде пленки биомассы на поверхности жидкой питательной среды.
После завершения процесса культуральная жидкость сливается из кювет через вмонтированные в днища штуцеры и поступает на обработку.
Если же урожай (в граммах) относят к числу молей потребленного субстрата, то экономический коэффициент, называемый в этом случае молярным экономическим коэффи ц иентом, обозначают через Уm.
Молярный экономический коэффициент позволяет связать урожай клеток с полученным из какого-либо источника энергии (т. е. какого-либо субстрата) количеством АТФ. УАТФ - энергетический коэффициент, выражается в граммах клеточной массы на 1 моль АТФ.
Если удовлетворены все необходимые требования, то в течение единицы времени dt увеличение биомассы dX должно быть пропорционально количеству биомассы X и интервалу времени, т. е.:
dX = m Х.dt,
откуда
dХ/dt = m Х или m = dХ/dt. 1/X
Дифференциальное отношение dХ/dt выражает скорость роста популяции клеток. Параметр m, обозначающий скорость роста единицы биомассы (I/Х) (dХ/dt), называется удельной скоростью роста.
Многоциклическое культивирование
|
|
|
Многоциклическими процессами культивирования называют такие, в которых цикл выращивания культуры повторяется многократно без многократной стерилизации емкости.
Зависимость концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста от времени в каждом цикле многоциклического процесса имеет характер, аналогичный таковому в периодическом процессе.
Продленное периодическое оптимизированное культивирование
Продленный периодический процесс культивирования, как и периодический, предусматривает одноразовую загрузку и разгрузку ферментера. Однако цикл развития микроорганизмов в продленном периодическом процессе удлиняется либо за счет подпитки (периодической или непрерывной), либо за счет длительного удержания клеток в системе (диализ).
Культивирование с подпиткой
Если зависимость удельной скорости роста от количества субстрата имеет насыщение, то исходную концентрацию субстрата можно задать сразу побольше в пределах плато, где влияние субстрата на скорость роста биомассы невелико или вообще отсутствует. В этом случае пока концентрация субстрата не снизится до критического уровня подпитку можно не производить.
Если зависимость удельной скорости роста биомассы от концентрации субстрата имеет экстремум, то подпитка требуется уже с самого начала процесса для поддержания его на оптимальном уровне.
Подпитка может осуществляться импульсно или по каплям на протяжении всего процесса.
Практически получается, что скорость подпитки возрастает во времени по экспоненте. И концентрация биомассы возрастает по экспоненте из-за почти постоянной удельной скорости роста при постоянной величине субстрата. Такие культуры часто называют «расширенными» или «экспоненциальными».
Варианты способ управления подпиткой:
1. Заранее рассчитывается программа изменения подпитки во времени, и субстрат подается в аппарат без информации о том, с какой скоростью его потребляет культура. Это может привести как к избытку, так и к недостатку субстрата в среде.
|
|
|
2. Субстрат подается по одному из косвенных параметров, связанных с ростом культуры.
Культивирование с повторяющимися подпитками.
Диализные системы
Диализ – исторический первый метод очистки – был предложен Т. Грэхемом в 1861 г. для удаления из системы низкомолекулярных веществ.
Суть этого метода заключается в том, что культура развивается в пространстве, ограниченном полупро-ницаемой мембраной, а продукты диффундируют во внешний раствор.
Диализные мембраны
Для культивирования с диализом используются мембраны, отличающиеся размером пор. Диализные мембраны задерживают клетки и макромолекулы, но проницаемы для таких мелких молекул, как основные питательные компоненты, требующиеся микроорганизмам для их роста.
Диализные мембраны изготавливают из пергамента, целлофана, ацетатцеллюлозы, полиамида, поликарбо-ната, кремний и др.
Для микробиологических целей при изготовлении мембран используют материалы, обеспечивающие автоклавируемость мембран, размер их пор, высокий уровень отсечки, химическая инертность и проницаемость (которая в свою очередь определяется пористостью, емкостью и толщиной мембраны), а также наибольший экономический коэффициент.
Диализные культуры применяются в основном в трех случаях:
1) для концентрирования недиффундирующего продукта,
2) для уменьшения концентрации диффундирующего продукта, ингибирующего рост клеток, и повышения выхода биомассы,
3) для накопления и отделения от клеток диффун-дирующего продукта.
Преимущества процесса диализа: 1) работа в мягких условиях температуры и рН; 2) отсутствие органических растворителей; 3) возможность высокой степени очистки клеток от примесей низкомолекулярных соединений, солей и металлов.
Недостатки: 1) низкая скорость диализа, определяемая молекулярной диффузией; 2) возможность обрастания диализных мембран и забивания их пор.
Для повышения эффективности диффузионного способа культивирования объем диализной жидкости должен быть значительно больше объема диализуемой культуры, или же диализную жидкость следует менять.
|
|
|
Кроме того, мембраны должны иметь достаточную площадь, чтобы обеспечивалась удовлетворительная скорость диффузии. Система культивирования с диализом может действовать in vivo или in vitro в периодическом и непрерывном режимах или при их сочетании.
К специфическим преимуществам использования диализа при культивировании микроорганизмов относятся: 1) удлинение экспоненциальной фазы роста в периодической культуре, что позволяет получать высокие плотности живых клеток; 2) увеличение стационарной фазы роста культур, что позволяет увеличить выход метаболитов, связанных с этой фазой; 3) удаление или разведение ингибирующих продуктов метаболизма; 4) установление состояния равновесия с высоким уровнем метаболизма; 5) получение метаболитов, свободных от клеток, и, наоборот, клеток, свободных от макромолекул среды.
Типы диализаторов
Диализатор объемного типа
Конструкция диализатора такого типа чрезвычайно проста и представляет собой «мешок» из диализной мембраны, погруженный в диффузат.
Достоинствами такой конструкции является крайняя простота и дешевизна. Но аппараты данной конструкции имеют ряд существенных недостатков.
Во-первых, в таком аппарате малая удельная поверхность и довольно большая толщина мембран для обеспечения их механической прочности.
Во-вторых, процесс диализа протекает крайне медленно, т.к. и диализат, и разделяемый раствор неподвижны и мембраны имеют большую толщину.
Аппарат этого типа включает мембрану в виде трубки, свернутой в спираль (змеевик), погруженную в емкость с диализатом.
За счет конструктивных особенностей увеличивается площадь мембраны, а за счет прокачивания разделяемого раствора внутри змеевика, интенсифицируется массообмен (возрастает коэффициент массоотдачи).
Конструкция диализатора типа "фильтр-пресс“
Положительной особенностью диализаторов типа фильтр-пресс с плоскокамерными фильтрующими элементами является простота конструктивных решений. Кроме того, в таких аппаратах можно использовать мембраны малой толщины, что снижает сопротивление массопререносу и обеспечивает больший поток через мембрану.
Недостатки: использование ручных операций при их сборке и разборке, высокая металлоемкость, относительно низкая плотность укладки мембран в единице объема, сложность герметизации отдельных узлов.
|
|
|
