КИНЕТИКА РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В ПЕРИОДИЧЕСКИХ И ПРОТОЧНЫХ ПРОЦЕССАХ

В периодическом процессев течение всего времени культивиро­вания поступают только кислород, пеногаситель и для контроля рН соответственно' кислота или основание. Все компоненты вносятся в начале ферментации.

В результате метаболизма клеток состав среды, концентрация биомассы и метаболитов все время изменяются.

В культивировании выделяют четыре главные фазы роста: лаг-фазу, лог-фазу, стационарную фазу и фазу отмирания. Лаг-фаза мо­жет отсутствовать, если инокулят находится в лог-фазе.

Если во время лог-фазы культура микроорганизмов растет с по­стоянной и максимальной скоростью, увеличение клеточной массы мож­но описать количественно: как время удвоения в единицу времени числа клеток (для дрожжей и бактерий) или биомассы (для нитча­тых форм), например, стрептомицетов и грибов. Скорость роста био­массы пропорциональна ее количеству и времени продолжительно­сти этого процесса.

В стационарной фазе количество биомассы может расти или оста­ется постоянным, хотя химический состав клеток, возможно, изменяет­ся. В этой фазе часто образуются продукты, обладающие биотехполо-гической ценностью.

Фаза отмирания характеризуется тем, что какие-либо компоненты среды, и прежде всего энергетические запасы клеток, исчерпываются. В промышленности чаще всего ферментацию заканчивают в конце лог-фазы или перед началом фазы отмирания.

В периодических процессах часто используют подпитку (напри­мер, когда нужно избежать катаболитной репрессии в производстве пенициллина). При ферментации с подпиткой критический элемент питания вносят в маленьких дозах в начале процесса и во время продуктивной фазы при получении вторичных продуктов (Л. И. Во­робьева, 1989).

Для периодической ферментации характерны недостатки:

1) большие затраты времени, связанные с необходимостью загрузки и разгрузки биореактора;

2) большие затраты из-за малой продуктивности, которая связана с низкой концентрацией биокатализатора (микробных клеток), ипги-бировапием конечными продуктами и исчерпанием субстрата для биосинтетических процессов;

3) необходимость отделения микробных клеток в конце этого
процесса;

4) длительность, измеряемая сутками.

Проточный процесс.В настоящее время требуются высокопро­изводительные системы наращивания биомассы. Их реализация свя­зана с проведением проточного процесса. Последний должен проте-


кать с большой скоростью и высокой плотностью клеток на протяже­нии всей ферментации, при этом конечные продукты, оказывающие ингибирующие действия, должны постоянно удаляться из системы. Проточная ферментация по сравнению с периодической имеет следу­ющие преимущества:

1) понижает затраты;

2) позволяет лучше осуществлять контроль процесса;

3) часто приводит к увеличению продуктивности.

Так, например, при производстве этанола проточным способом выход продукта в 3 раза выше, чем при периодическом культивирова­нии дрожжей. Различают два основных типа установок для осуще­ствления проточной ферментации:

1) биореакторы с гомогенным перемешиванием жидкости, пред­ставляющие собой хемостаты или турбидостаты;

2) реактор полного вытеснения. В этом варианте раствор проте­кает по тубулярному реактору без перемешивания, и состав пи­тательных веществ, число клеток, содержание 02 и продуктивность в разных местах неодинаковы. На входе в реактор вместе с питатель­ной средой постоянно подается инокулят.

Во время проточной ферментации удаление клеток вместе с ухо­дящим из системы раствором должно быть сбалансировано с ростом микроорганизмов.

Концентрация субстрата на входе обозначается 50. При мед­ленном протоке субстрат (5) почти полностью используется клет­ками (S > 0), и их концентрация X = Sq/Y. Если D увеличивается, то X медленно снижается в начале, а затем, когда D = jJ,max, резко падает до 0. Величина 5 постепенно растет (по мере увеличения D) и становится равной 50 при D = /Jmax. При х = 0 достигается точка вымывания D,

max*

^тах ~ v c ' (6)

отсюда


!' (7)

>0

Ks +S0 поэтому Dmax = jiim3LX.

Если значение Dmax превышает /imax, то стационарное состояние становится невозможным. В случае когда скорость протока немного ниже Dm&x, система очень чувствительна к внешним воздействиям.

Для оценки процессов, происходящих во время культивирования микроорганизмов, используется модель Mono. Последняя, к сожале­нию, не всегда применима в случае проточного способа, например, при очень низких или очень высоких скоростях роста: если источник углерода — лимитирующий фактор, то при низких скоростях прото-


ка добавленные углеводы используются в первую очередь для под­держания клеток, но не для роста, при высоких часть субстрата используется не полностью, и продуктивность понижается.

Если азот (N) является лимитирующим фактором, то при низких скоростях протока образуется резервный материал, например, поли­сахариды, при этом размеры клеток и биомасса увеличиваются.

Накопление конечных метаболитов тоже не описывается доста­точно точно моделью Mono при очень высоких или очень низких ско­ростях протока. Так, при минимальной скорости роста продукция пени­циллина прекращается, и начинают образовываться конидиеспоры.

Скорость синтеза продуктов зависит от скорости протока. Это относится к экскреции первичных и вторичных метаболитов, синтезу отдельных ферментов.

Проточное культивирование используется для получения био­массы дрожжей, глюкозоизомеразы, этанола, очистки сточных вод, производства пива. Многие из таких процессов не нашли примене­ния в промышленности по ряду причин:

1) для данного вида производства необходимо, чтобы система ста­бильно работала по крайней мере 500 — 1 000 ч, а для этого требуют­ся глубокие знания физиологии, зависимости процесса от внешних условий;

2) в промышленном масштабе особенно трудно поддерживать сте­рильность;

3) совокупность компонентов промышленных питательных сред не является оптимальной для каждой стадии процесса. Состав мате­риалов нестабилен (например, пептона, крахмала, кукурузного экст­ракта), поэтому максимального выхода продукта достичь не удает­ся;

4) снижается эффективность за счет того, что высокопродуктив­ные штаммы подвержены реверсии и возникающие обратные мутанты могут перерасти и вытеснить в протоке продуктивные штаммы.