Периодический рост культуры микроорганизмов

Популяция обеспечивается питательной средой, и в ней создаются оптимальные условия для роста. Если в процессе культивирования не вносить дополнительных питательных компонентов и не выводить из него биомассу и продукты метаболизма вместе со средой, то рост популяции будет протекать по 5-образной кривой. Это и есть так называемая периодическая или статическая культура.

На рис. 4.3 изображена ,5-образная логарифмическая кривая роста популяции и условно определены границы между фазами роста, постепенно переходящими одна в другую.

а

образная кривая роста популяции микроорганизмов

Рис. 4.3.5-образная кривая роста популяции микроорганизмов

и фазы роста:

а — изменение логарифма массы или численности популяции во времени (1 — лаг-фаза; 2 — фаза ускорения роста; 3 — экспоненциальная фаза; 4 — фаза замедления роста; 5 — стационарная фаза; 6 — фаза отмирания); б — соответствующие

изменения удельной скорости роста популяции

Лаг-фаза (начальная фаза) относится к промежутку времени, в течение которого плотность популяции или концентрация биомассы, внесенной в свежую питательную среду, не изменяется. В некоторых случаях наблюдается даже некоторое снижение концентрации биомассы. В период лаг-фазы размер клеток увеличивается и в них активно протекают биохимические процессы, связанные с подготовкой к началу размножения. Длительность лаг-фазы зависит от доброкачественности питательной среды, условий культивирования, свойств и физиологической активности микроорганизмов, количества посевного материала и ряда других факторов.

Фаза ускорения роста относится к небольшому периоду увеличения удельной скорости роста популяции от нулевой до максимальной удельной скорости |Дтах.

Экспоненциальная или логарифмическая фаза (лог-фаза) характеризуется уравновешенной скоростью роста микроорганизмов. Развитие популяции в этой фазе не лимитируется питательными веществами и не тормозится ингибирующими продуктами жизнедеятельности. Размер клеток и их химический состав меняется несущественно. Логарифм численности популяции или концентрации биомассы увеличивается с постоянной скоростью. В период лог-фазы удельная скорость роста является максимальной и в большинстве случаев остается на одном уровне (см. рис. 4.3).

Рост плотности популяции или увеличение концентрации биомассы в этой фазе описывается уравнением

V — V • ^

А Ад V •

При логарифмировании этой формулы получается следующее выражение

= ^тах' + К’

гдех() — концентрация биомассы в начале лог-фазы.

На ^-образной кривой это выражение в координатах 1^ и /“ дает прямую линию, угол наклона которой зависит от свойств культуры, качества питательной среды, условий культивирования и других факторов. В связи с тем, что в период лог-фазы ц практически не изменяется, ее легко найти в любой промежуток времени в этой фазе по формуле

Р1Т1ах = <1ШС2 “ 1ШС1>/(Г2 “ (4-9)

гдех, их2 — концентрации биомасс (находятся экспериментально) соответственно в моменты времени И /2.

В периодической культуре лог-фаза не может быть бесконечной вследствие снижения концентрации питательных веществ в среде и накопления продуктов метаболизма, ингибирующих развитие популяции. Поэтому популяция переходит в фазу замедленного или отрицательного ускорения роста. В этой фазе небольшая часть особей прекращает развитие, другая часть продолжает рост, но медленнее по сравнению с лог-фазой. По мере потребления питательных веществ концентрация биомассы продолжает расти, однако удельная скорость роста популяции снижается и популяция переходит в стационарную фазу развития. В этой фазе скорость роста всех клеток популяции постепенно снижается до нуля, концентрация биомассы не возрастает и к концу фазы уменьшается. Популяция постепенно переходит в фазу ускоренного (логарифмического) отмирания. Эта фаза сопровождается уменьшением общего числа особей и концентрации биомассы вследствие автолиза клеток.

Все фазы развития микробной популяции необходимо рассматривать как постепенно переходящие одна в другую, границы которых определены условно.

Непрерывный рост культуры микроорганизмов

Этот процесс характерен для существования популяции в природной среде. Условием непрерывного роста микробной популяции является непрерывное поступление питательной среды к микроорганизмам с одновременным отводом продуктов метаболизма и отмерших клеток. При этом концентрация микроорганизмов, элементов субстрата (питательных веществ) и продуктов метаболизма должны быть постоянными величинами.

Периодическую культуру можно перевести в непрерывную и за-стабилизировать на длительное время практически в любой точке восходящей ^-образной кривой. Однако в промышленности экономически оправданными являются процессы роста популяции, стабилизированные в фазе отрицательного ускорения роста. При этом можно достичь высокой степени утилизации субстрата микробной популяцией и устойчивой самостабилизации системы при скоростях роста, близких к максимальным.

При непрерывном росте микроорганизмов процессы прироста и уноса биомассы описываются уравнением

<±х/с1/ = рх — Дх, (4.10)

где /) — скорость разбавления среды в аппарате (или скорость обмена питательной среды в аппарате) потоком питательной среды, ч.

Скорость разбавления

0 = Р/ Ур,

где Р — скорость протекания питательной среды через полезный или рабочий объем ферментёра, м3/ч, Ур — полезный или рабочий объем аппарата, м3.

Зависимость удельной скорости роста от концентрации субстрата впервые вывел Моно:

»* = ^•$/<*5 + 5), (4.11)

где ртах — предел, к которому стремится р при повышении концентрации субстрата 5 в питательной среде, покидающей популяцию, К3 — константа Михаэлиса, численно равная концентрации лимитирующего фактора, при которой удельная скорость роста соответствует половине максимальной. При К5= 5, р = 0,5 ртах.

Из формулы Моно (4.11) следует, что ртах — чисто математический предел скорости роста популяции, которого практически достичь невозможно.

Подставив значение р из (4.11) в формулу (4.10), получим преобразованное математическое уравнение, выражающее рост популяции и вымывание приросшей биомассы

сЬс/сЙ = х ртахБ/(К5 + 6) - /)х. (4.12)

При непрерывном культивировании микроорганизмов субстрат, лимитирующий рост популяции, поступает в ферментёр, потребляется популяцией и часть его выносится с культуральной жидкостью. Этот процесс описывается математическим выражением:

а?/*= ЛУ0 - ЛУ- [Цтах^] • SAKs + 5)], (4.13)

где Д50 и /)? — приток и отток субстрата; Итаух/у ' ^/{К5 + ,5) — потребленный субстрат; Я0 — концентрация субстрата в приточной питательной среде; 5 — фактическая концентрация субстрата в отходящей питательной среде; у — экономический коэффициент, выражающий урожайность популяций и равный отношению образовавшейся биомассы и израсходованного на синтез этой биомассы субстрата.

При установившемся режиме роста выполняется условие сЬс/сЙ = = = 0. В этом случае система уравнений принимает вид:

М = Ми, • (4.14)

й=мтах-«/(^

Х=у/(3-30).

Из уравнений системы (4.14) следует, что для управления непрерывной культурой необходимо знать ртах, К5 и у. Эти показатели находят экспериментально в лабораторных условиях при периодическом или непрерывном культивировании с последующим использованием в производстве. При этом лабораторные питательные среды должны соответствовать производственным. Для определения у достаточно в стационарном режиме при непрерывном культивировании определить начальную концентрацию субстрата 50 в поступающей питательной среде и остаточную концентрацию субстрата ^ в отходящей культуральной жидкости. Определив концентрацию абсолютно сухой биомассы х в культуральной жидкости, находят у по формуле

у = х/(50-6).

Для определения К!. и ртах культивирование микроорганизмов проводится при двух скоростях разбавления и /),) и при каждой скорости находят остаточное содержание субстрата (^ и 52) в отходящей культуральной жидкости. Исходя из того, что при разных скоростях разбавления величина Кз не меняется, ее находят из уравнения в системе (4.14)

** = 51<^тах - ВУ°, ИЛИ Й = 52(Мтах - Ог)/Вг.

Из этих тождественных уравнений находится р , а затем по одной из формул — К .

Одной из важных экономических характеристик одноступенчатого непрерывного процесса культивирования микроорганизмов является продуктивность системы, которая выражается количеством образовавшейся биомассы в единице объема среды за единицу времени [кг/(м3 • ч), г/(л • ч)] и находится по формуле Р= Их.

Рассмотренная математическая модель описывает рост популяции с учетом только лимитирующего субстрата. Однако она не учитывает продукты метаболизма, ингибирующие рост популяции, и другие факторы, влияющие на р.

Зависимость, связывающая удельную скорость роста популяции с лимитирующим субстратом и тормозящими ее рост продуктами метаболизма, выражается следующим уравнением:

м, = м,„,„ • 5/(^+5) ? Кр!ЛКр, + 50 - 5), (4.15)

где ру и р — удельная и максимально возможная скорости роста популяции; и А^и К — константы кинетического уравнения, определяемые экспериментально.

Удельная скорость потребления субстрата зависит от концентрации лимитирующего субстрата:

М5 = М_ +ед-9 + <4 |6)

где ру и рх тах — удельная и максимально возможная скорости потребления субстрата; Кб, Кг, Крг — константы кинетического уравнения (находятся экспериментально).

Вышеприведенные уравнения позволяют рассчитать оптимальные параметры культивирования в одном ферментёре непрерывного действия.

Одиночный ферментёр непрерывного действия имеет сравнительно низкую производительность. По экономическим соображениям, чтобы увеличить выход биомассы на единицу субстрата, необходимо поддерживать концентрацию субстрата в культуральной жидкости на возможно более низком уровне. Как отмечалось выше, с уменьшением ^ снижается р и соответственно /), а это отрицательно сказывается на производительности ферментёра. Чтобы увеличить производительность и степень утилизации субстрата, аппараты соединяют в батареи. Питательная среда поступает в первый аппарат, и по мере прохождения среды через все ферментёры концентрация субстрата постепенно снижается до заданной, а концентрация биомассы достигает максимума в последнем аппарате. При этом скорость роста, например, в первом ферментёре не ограничивается концентрацией субстрата, и таким образом при многоступенчатом культивировании повышается продуктивность системы в целом. Особенно хорошие результаты получают при многоступенчатом культивировании в случае применения смеси субстратов, используемых микробной популяцией с различной скоростью.

Многоступенчатое непрерывное культивирование перспективно при получении аминокислот, антибиотиков и др. [3; 15; 23; 55].

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >