Непрерывный способ культивирования
При этом в процессе биосинтеза из ферментера берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. Микроорганизмы постоянно получают приток свежей стерильной питательной среды, а из аппарата непрерывно отбирается биомасса вместе с образуемыми метаболитами. Такой способ культивирования можно назвать «открытой» системой.
Непрерывная ферментация может проходить в следующих системах:
Гомогенные системы 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.
По количеству ферментеров гомогенные системы могут быть одностадийными, двухстадийными и многостадийными.
Так, для получения высоких концентраций биомассы используют одностадийные системы с возвратом клеток. В них клетки отделяют от культуральной жидкости с помощью насоса, возвращают обратно в ферментер. Возврат клеток (рециркуляция) имеет важное значение в тех процессах, в которых за время пребывания в ферментере клетки не успевают реализовать свои потенциальные возможности в отношении синтеза целевого продукта.
Многостадийные системы состоят из ряда последовательно соединенных ферментеров – батареи. Это позволяет получать культуру при любой скорости роста – от лаг-фазы до экспоненциальной и стационарной. Применяется при получении молочной кислоты, этилового спирта.
Основной аппарат для выращивания непрерывной гомогенной системы – ферментер идеального смешения с устройством для потока среды и слива культуры, поддерживающим постоянный уровень среды. Такой процесс называют непрерывно-проточным, обеспечивающим одинаковую концентрацию всех продуктов внутри ферментера и в вытекающей жидкости.
Непрерывно-проточное культивирование дает возможность поддерживать постоянные условия роста микроорганизмов за счет лимитирования (ограничения) какого-то одного фактора среды.
При этом различают:
Хемостатное культивирование – при этом лимитирующим рост фактором является химический состав питательной среды. В хемостате скорость разбавления питательной среды является постоянной в соответствии с заданной плотностью популяции. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста.
Турбидостатное культивирование – при этом подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры в ферментере. Скорость разбавления устанавливается автоматически в соответствии с заданной плотностью популяции.
Системы культивирования полного вытеснения –в ней культура не перемешивается, а представляет собой поток жидкости через трубку. Наиболее распространенный аппарат для культивирования в данном случае – трубчатый ферментер. Он может иметь различную форму (прямую, S-образную, спиральную) и устанавливается горизонтально или вертикально. Такая культура за время посева до выгрузки проходит через все стадии периодической культуры, то есть фазы роста распределены не во времени, а в пространстве. Каждой части ферментера в установившемся режиме соответствует определенный отрезок кривой роста. Этот способ культивирования используется для анаэробных процессов. Посев осуществляется непрерывно на входе в ферментер одновременно с подачей среды. Этот принцип может использоваться на стадии брожения при производстве пива.
Системы твердожидкостного типа –это многофазные системы, в которых культура растет на границе разных фаз: жидкость — твердая фаза — газ. В этих системах клетки удерживаются путем прилипания к твердой основе – наполнителю и размножаются на нем, образуя пленку биомассы. Пример – производство уксуса в стружечных аппаратах.
В данной системе лимитирующим фактором для аэробных микробов являются кислород и субстрат (питательные вещества). В тонких пленках каждая из прикрепленных в поверхности клеток полностью обеспечена этими веществами и способна расти и размножаться с максимальной экспоненциальной скоростью. По мере того, как клетки образуют более толстую пленку биомассы, рост их ограничивается (верхним слоям не хватает кислорода, нижним – питательных веществ).
Системы твердожидкостного типа применяются при очистке сточных вод, в производстве органических растворителей и кислот и т.д.
Дата добавления: 2016-02-27 ; просмотров: 1050 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Непрерывное (проточное) культивирование микроорганизмов.
Метод проточного непрямого культивирования пришел в микробиологию из химической технологии. Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой стадии непрерывного процесса, стабилизации его во времени, улучшение качества продукции, легкость регулировки и, главное, возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется тенденция в биотехнологии к переходу от периодических процессов к непрерывным.
Принцип непрерывного (проточного) культивирования микробов состоит в том, что в сосуд, где размножаются микроорганизмы, непрерывно подается свежая питательная среда и одновременно втекает такой же объем культуры. По такому принципу организуются две разновидности технического процесса непрерывного культивирования: процесс (технология) полного вытеснения и технология полного смещения.
Технология полного вытеснения.
При технологии полного вытеснения сосуд для выращивания микроорганизмов (трубчатый ферментер) представляет собой трубку, расположенную горизонтально или вертикально, в которую втекают среда и посевной материал и вытекает культура. Перемешивание не производится.
S0 – концентрация субстрата в поступающей питательной среде
S – концентрация субстрата в вытекающей питательной среде
Х0 – концентрация биомассы в поступающем посевном материале
Х – концентрация вытекающей биомассы
Таким способом сравнительно легко и несложно культивировать микроорганизмы, не требующие аэрации. С одной стороны ферментера подаются среда и посевной материал, где микробная популяция находится в начале своего развития. По ходу трубки культура «стареет», субстрат исчерпывается, накапливаются продукты метаболизма и вытекающая культура приходит в состояние аналогичное стационарной фазе роста периодической культуры. В результате такого процесса в ферментере воспроизводится полная кривая роста, но не во времени, а в пространстве. В настоящее время появились ферментативные аппараты, обеспечивающие процессы с режимом, приближающимся к полному вытеснению и при аэробном культивировании.
Процесс полного вытеснения применяется в промышленности в тех случаях, когда желательно избежать потери времени на опорожнение, стерилизацию и заполнение емкости. Его применяют в пищевой промышленности, когда используются сложные среды и стоит задача наиболее экономично провести процесс аналогичный тому, который ведется в периодическом режиме.
Пример практического применения рубчатого ферментера – анаэробная стадия при производстве пива в бешенных проточных емкостях. В этих случаях не требуется аэрации и процесс идет без перемешивания. Если этот процесс аэробный, то его ведут в батарее аэрируемых ферментеров. При этом кривая роста периодической культуры распределяется по ходу батарее.
Технология полного смешивания.
В процессе полного смешивания рост культур происходит в емкости – ферментере при интенсивном перемешивании. Перемешивание достигается продуванием воздуха или работой мешалки (или тем и другим одновременно). Во всей массе культуры условия должны быть совершенно одинаковыми. В ферментере создаются условия соответствующие одной точки кривой роста культуры. При больших потоках среды эти условия близки к фазе логарифмического роста, при малых – приближаются к условиям стационарной фазы роста культур. При таком методе может быть воспроизведена любая точка роста периодической культуры. В установившемся режиме скорость потока среды, отнесенная к объему культуры в ферментере, называют коэффициентом разбавления. Коэффициент разбавления равняется удельной скорости роста µ.
D = 
= µ
D – коэффициент добавления
F – скорость потока среды
V – объем культуры в ферментере
µ- удельная скорость роста
Это означает, что культура находится в устойчивом стационарном состоянии, в результате концентрация биомассы (Х) в ферментере остается постоянной. В таком случае скорость роста определяется коэффициентом разбавления. Она уравнивается с ним и концентрация субстрата (S) также остается постоянной (равномерно расходуемый субстрат обновляется с равномерной скоростью притока новой питательной среды).
При таком способе культивирования культура (вследствие возникновения феномена синхронизации роста) обладает способностью самостоятельно автоматически подстраиваться к измененным условиям процесса. Если условия изменяются в сторону ускорения роста, то в ферментере повышается концентрация биомассы и понижается концентрация субстрата, при замедлении роста – концентрация биомассы понизится, а концентрация питающего субстрата повысится.
При кратковременном изменении условий культивирования эти состояния микробной популяции обратимы и на изменение скорости потока культура реагирует соответствующим изменением концентрации биомассы и концентрации субстрата, не выходя из стационарного состояния. Однако, следует помнить, что чрезмерное увеличение скорости потока, причины сильно замедляющие рост, могут привести к тому, сто скорость роста (µ) окажется меньше коэффициента разбавления (F). И в таком случае культура вымоется из ферментера.
Воспроизведение в потоке определенной точки кривой роста культур широко применяется в промышленности при наращивании биомассы микроорганизмов. Хорошо отработанный периодический процесс выращивания экономически выгодно воспроизводить в проточном варианте, поскольку культура непрерывно находится в состоянии максимальной активности нужного процесса, не тратится время на освобождение емкостей и лаг-фазу.
При наращивании биомассы в проточных условиях биотехнологический процесс стремятся вести при возможно большей скорости потока, но не настолько большой, чтобы в среде оставался недоиспользованный субстрат. Таким образом получают наибольший экономический коэффициент, который при непрерывном культивировании определяют следующим образом:
D 
=
S0 – концентрация питательного вещества в поступающей среде
S – концентрация питательного вещества в культуре, вытекающей из ферментера
Х – концентрация биомассы в вытекающей культуре
Биотехнологическая реализация способов непрерывного культивирования микроорганизмов.
Существует много способов непрерывного культивирования микроорганизмов, но в биопромышленности в основном применяются два типа:
Хемостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние достигается путем регулирования поступления лимитирующих рост субстратов;
Турбидостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние культуры достигается путем удаления биомассы и замещения её свежей средой со скоростью равной скорости роста культуры.
Хемостат в отличии от турбидостата позволяет с высокой скоростью регулировать условия лимитирования роста (субстратное лимитирование), тогда как турбидостат предпочтительнее для изучения микроорганизмов в условиях близких к максимальной удельной скорости роста.
Источник
Непрерывный способ культивирования
Периодический способ культивирования
Это такой процесс, когда в ферментер со стерильной питательной средой подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Далее в этой же емкости микроорганизмы при определенных условиях проходят через все стадии роста и развития популяции.
Когда процесс культивирования заканчивается, емкость для выращивания освобождают, и цикл возобновляется. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта. При таком способе культивирования скорость роста биомассы всегда стремится к нулю либо из-за недостатка питательных веществ, либо из-за накопления в среде токсических метаболитов.
Этот способ используется для получения посевного материала на некоторых этапах, а также при микробиологическом производстве аминокислот, в производстве вакцин и т.д.
Промежуточные способы культивирования
Продленный периодический процесс – предусматривает одноразовую загрузку и разгрузку ферментера. Однако цикл развития микроорганизмов в продленном периодическом процессе удлиняется двумя способами:
1) за счет подпитки – периодическое или непрерывное добавление питательной среды;
2) за счет длительного удержания клеток в системе (диализная культура). При этом культура развивается в пространстве, ограниченном полупроницаемой мембраной, а продукты метаболизма диффундируют во внешний раствор. В этом случае продлевается экспоненциальная фаза и фаза линейного роста. Наиболее простой диализный метод – культивирование в целлофановых мешках, погруженных в питательную среду.
Многоциклические процессы культивирования – ведут в одном ферментере, многократно повторяя полный цикл развития культуры без перерыва на стерилизацию. Применяют как для получения биомассы; для производства продуктов микробного синтеза – антибиотиков, внеклеточных ферментов, аминокислот. Применение данного способа позволяет в несколько раз сократить затраты труда на производство продукта по сравнению с периодическим способом.
1) Одностадийные многоциклические процессы – осуществляются в одном ферментере.
2) Многостадийные многоциклические процессы – основаны на принципе повторного и последовательного периодического культивирования. Протекает в нескольких ферментерах, которые соединены в батарею с целью длительного использования культуры.
Вариант такого способа: культура выращивается в одном биореакторе. В то время, когда она проходит в своем развитии экспоненциальную фазу, из нее берется инокулят (посевной материал) для засева следующего реактора. В первом реакторе культура доращивается до необходимой фазы роста. Когда культура во втором реакторе достигает экспоненциальной фазы, из нее также делается пересев в третий реактор и т.д. Так как культура все время пересевается в экспоненциальной фазе, не происходит ее старения и вырождения.
Полунепрерывные системы – при этом полная загрузка и разгрузка ферментера осуществляются однократно, однако в процессе роста культуры часть культуральной жидкости сливается, а освободившийся объем заливается свежей питательной средой. Таким образом, функционирует сливно-доливная система. Различные варианты полунепрерывных систем используются в производстве дрожжей, водорослей, антибиотиков и лимонной кислоты.
Непрерывный способ культивирования
При этом в процессе биосинтеза из ферментера берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. Микроорганизмы постоянно получают приток свежей стерильной питательной среды, а из аппарата непрерывно отбирается биомасса вместе с образуемыми метаболитами. Такой способ культивирования можно назвать «открытой» системой.
Непрерывная ферментация может проходить в следующих системах:
Гомогенные системы 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.
По количеству ферментеров гомогенные системы могут быть одностадийными, двухстадийными и многостадийными.
Так, для получения высоких концентраций биомассы используют одностадийные системы с возвратом клеток. В них клетки отделяют от культуральной жидкости с помощью насоса, возвращают обратно в ферментер. Возврат клеток (рециркуляция) имеет важное значение в тех процессах, в которых за время пребывания в ферментере клетки не успевают реализовать свои потенциальные возможности в отношении синтеза целевого продукта.
Многостадийные системы состоят из ряда последовательно соединенных ферментеров – батареи. Это позволяет получать культуру при любой скорости роста – от лаг-фазы до экспоненциальной и стационарной. Применяется при получении молочной кислоты, этилового спирта.
Основной аппарат для выращивания непрерывной гомогенной системы – ферментер идеального смешения с устройством для потока среды и слива культуры, поддерживающим постоянный уровень среды. Такой процесс называют непрерывно-проточным, обеспечивающим одинаковую концентрацию всех продуктов внутри ферментера и в вытекающей жидкости.
Непрерывно-проточное культивирование дает возможность поддерживать постоянные условия роста микроорганизмов за счет лимитирования (ограничения) какого-то одного фактора среды.
При этом различают:
Хемостатное культивирование – при этом лимитирующим рост фактором является химический состав питательной среды. В хемостате скорость разбавления питательной среды является постоянной в соответствии с заданной плотностью популяции. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста.
Турбидостатное культивирование – при этом подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры в ферментере. Скорость разбавления устанавливается автоматически в соответствии с заданной плотностью популяции.
Системы культивирования полного вытеснения –в ней культура не перемешивается, а представляет собой поток жидкости через трубку. Наиболее распространенный аппарат для культивирования в данном случае – трубчатый ферментер. Он может иметь различную форму (прямую, S-образную, спиральную) и устанавливается горизонтально или вертикально. Такая культура за время посева до выгрузки проходит через все стадии периодической культуры, то есть фазы роста распределены не во времени, а в пространстве. Каждой части ферментера в установившемся режиме соответствует определенный отрезок кривой роста. Этот способ культивирования используется для анаэробных процессов. Посев осуществляется непрерывно на входе в ферментер одновременно с подачей среды. Этот принцип может использоваться на стадии брожения при производстве пива.
Системы твердожидкостного типа –это многофазные системы, в которых культура растет на границе разных фаз: жидкость — твердая фаза — газ. В этих системах клетки удерживаются путем прилипания к твердой основе – наполнителю и размножаются на нем, образуя пленку биомассы. Пример – производство уксуса в стружечных аппаратах.
В данной системе лимитирующим фактором для аэробных микробов являются кислород и субстрат (питательные вещества). В тонких пленках каждая из прикрепленных в поверхности клеток полностью обеспечена этими веществами и способна расти и размножаться с максимальной экспоненциальной скоростью. По мере того, как клетки образуют более толстую пленку биомассы, рост их ограничивается (верхним слоям не хватает кислорода, нижним – питательных веществ).
Системы твердожидкостного типа применяются при очистке сточных вод, в производстве органических растворителей и кислот и т.д.
Источник
