Способы культивирования микроорганизмов
ЛЕКЦИЯ 4
Микроорганизмы, используемые в промышленных производствах
1. Требования к промышленным микроорганизмам и параметры их роста
Способы культивирования микроорганизмов и устройство ферментера
Микробиологическое производство биологически активных веществ
Промышленное производство органических кислот, растворителей, лечебных препаратов
Требования к промышленным м-мам и параметры их роста
Благодаря широкому набору разнообразных ферментных систем м-мы способны образовывать в процессе метаболизма различные продукты обмена, которые являются ценными для человека. Кроме того, м-мы также способны трансформировать природные и химически синтезированные продукты в в-ва, необходимые человеку.
Микробиологические производства в последние годы приобрели особенное развитие благодаря детальному изучению физиолого-биохимических и генетических свойств м-мов. В промышленных пр-ах используют разные м-мы: наиболее широко – дрожжи, реже – плесневые грибы, а также аэробные и анаэробные бактерии.
Так, различные расы дрожжей р.Saccharomyces cerevisiae используют для приготовления вина, пива, хлеба и получения этилового спирта. Дрожжи р.Candida используют для пр-ва белка и витаминов (на непищевом сырье).
Плесневые грибы используют для получения органических к-от: лимонной (Aspergillus niger), глюконовой (A. niger, Penicillium chrysogenum), итаконовой (A. tereus), фумаровой (Rhizopus nigricans); антибиотиков пенициллина (P.chrysogenum, P.notatum) и цефалоспорина (Cephalosporium sp.); препаратов витамина В2 (Eremothecium ashbyii) и β-каротина (Blackeslea trispora).
Среди бактерий промышленное применение имеют прокариоты различных таксономических групп. Они применяются для пр-ва пищевых продуктов (солений и маринадов – Leuconostoc, Pediococcus, Lactobacillus, кисломолочных – Lactobacillus, Streptococcus , уксуса – Acetobacter aceti); пищевых и кормовых добавок (аминокислот – Corynebacterium, Brevibacterium, инозиновой к-ты — Corynebacterium, витаминов – Bacillus subtilis); ферментов (протеазы – Bacillus licheniformis, амилазы – B. amiloliquefaciens, B. licheniformis, глюкозоизомеразы – Streptomyces sp.); растворителей (этанола – Zymomonas mobilis, бутанола и ацетона – Clostridium acetobutylicum, молочной к-ты – Lactobacillus sp.); полисахаридов (ксантана – Xanthomonas campestris, декстрана – Leuconostoc mezenteroides, альгинатов – Azotobacter vinelandii); лечебных средств (стероидов — , антибиотиков – Bacillus sp., аминокислот — Bacillus); бактериальных препаратов (удобрительных — Rhizobium, для защиты растений – Bacillus thuringiensis).
Штаммы-подуценты м-ов, используемых в промышленности, должны обладать следующими св-ами:
1)способность расти в чистой культуре (в частности, бактерии – без фагов) и быть генетически стабильными;
2)отсутствие патогенности и токсинообразования;
3)высокая скорость роста при массовом культивировании и способность синтезировать продукт в большом к-ве за период не более 3-х суток;
4) устойчивость к загрязнению.
Большинство м-ов, используемых в микробиологических процессах, являются прототрофами. Прототрофы– м-мы, которые синтезируют все необходимые для них органические в-ва, в том числе и факторы роста. Ауксотрофы – м-мы, не способные синтезировать факторы роста. Факторы роста – органические соединения (витамины, аминок-ты, азотистые основания), необходимые в очень малых к-вах.
Многие микробиологические пр-ва базируются на использовании растущих культур соответствующих видов. Однако, для получения некоторых продуктов используют суспензии отмерших клеток, а также иммобилизованные клетки м-ов.
При культивировании м-ов в промышленных условиях определяют ряд параметров, влияющих на процессы роста или образование определенных метаболитов. Различают физические, химические и биологические параметры.
Физические: температура, давление энергозатраты, вязкость, скорость потока воздуха и жидкости, мутность, масса ферментера.
Химические: рН, растворенный кислород, кислород и углекислый газ в выходящем газе, окислительно-восст. потенциал, конц-ция субстрата, конц-ция продукта, ионная сила раствора.
Биологические: метаболиты, активность ферментов, содержание ДНК и РНК, содержание АТФ и НАДН2 , содержание белка.
Кроме этого учитываются количественные параметры: удельная скорость роста, время удвоения биомассы, урожай культуры (выход биомассы) и экономический коэффициент.
Выход конечного продукта по отношению к использованному субстрату характеризуют показателем экономического коэффициента (Y)и рассчитывают по источнику углерода, азота или фосфора.Он оценивает рост определенного вида м-мов на различных средах и в различных условиях культивирования. Эк. коэф. определяют соотношением:
Y= λx / λs
где: λx увеличение биомассы, соответствующее количеству использованного субстрата λs.
Удельная скорость роста — µ(прирост биомассы за единицу времени на единицу времени) является важной хар-кой как самого м-ма, так и условий его культивирования. Удельнуя скорость роста м-ма лимитирует концентрация субстрата и накопление продуктов обмена.
Время удвоения биомассы (время генерации) – g является критерием скорости роста микробной популяции:
g = t = —— = ———
µ µ
Это — время удвоения к-ва клеток или биомассы.Времягенерации для разных м-ов зависит от условий культивирования.
Урожай культуры (выход биомассы) –это мах количество клеток или биомассы, которую можно получить при определенных условиях в единице объема. Эта величина выражается в количестве клеток в 1мл или 1л среды. На величину урожая оказывают влияние условия культивирования (состав среды, аэрация, рН, температура и др.).
Способы культивирования микроорганизмов
и устройство ферментера
Различают два основных способа культивирования микроорганизмов – поверхностный и глубинный.
При поверхностном культивировании м-мы выращивают на поверхности тонкого слоя жидкой среды или твердого субстрата. Методы культивирования на твердом субстрате разделяют на 2 группы: 1) посев на поверхность тонкого слоя среды, 2) глубинный посев.
При тонкослойной схеме субстрат вносят толщиной 2-4см на металлическую или деревянную емкость и проводят культивирование в хорошо проветриваемых помещениях (для удаления тепла, образующегося при росте культуры). Для поверхностного культивирования в качестве сырья используют свекольный жом, виноградную мезгу, зерновую мякину, пшеничные или рисовые отруби и т.д. Влажность субстрата – 40-70%. Наиболее часто этот способ используют при выращивании грибов.
При глубинном посеве культуру вносят в субстрат, которым заполняют емкость на глубину 0,6 или 1,5-1,8 м. Как правило, эти операции автоматизированы.
Глубинное культивирование– главный способ микробиологического пр-ва, в котором различают открытые и замкнутые системы. В открытых системах клетки легко вымываются и образуются новые, в замкнутых – к-во клеток постоянно увеличивается (накапливается).
Глубинное культивирование имеет ряд преимуществ по сравнению с поверхностным: менее трудоемкое, требует меньших площадей, имеет меньшую вероятность инфицирования. Кроме того, существует возможность тщательного контроля пр-ва, его автоматизации и получение высокого выхода продукта.
Известно два вида глубинного культивирования: периодическое и непрерывное. При периодическом изменяется скорость роста, физиолого-биохимические и морфологические характеристики культуры.
А. Периодическое (накопительное) культивированиехарактеризуется следующими чертами: а) полный цикл ферментации проходит в замкнутом объеме среды; б) скорость прироста биомассы лимитируется истощением питательной среды, накоплением шлаков – продуктов метаболизма.Используется в производстве аминокислот, витаминов, антибиотиков, ферментов, других БАВ.
В этих условиях м-мы проходят определенный цикл развития, для которого характерна смена фаз. Выделяют 4 основные фазы роста периодической культуры:
1.Лаг-фаза – фаза скрытого роста. С момента инокуляции. Клетки не размножаются. Идет адаптация к новой среде.
2.Логарифмическая (экспоненциальная) фаза. Скорость роста культуры максимальная: быстро увеличивается, высокая биохимическая активность
3.Стационарная фаза – количество нарождающихся клеток = кол-ву отмирающих: незначительный прирост биомассы. Накопление метаболитов и токсинов, исчерпание питательной среды.
4.Фаза массовой гибели клеток (отмирание): уменьшается к-во живых клеток, начинается их лизис под действием собственных ферментов (автолиз).
Б. Непрерывное культивирование характеризуется следующими чертами: а) периодическое (полупроточное) или непрерывное разбавление ферментирущей массы свежей питательной средой; в) скорость прироста биомассы не лимитируется. Используется для получения спиртов, кислот, растворителей.
Преимущества: использование спецоборудования, стабилизация во времени, улучшение качества продукта, возможность автоматизации.
Непрерывное культивирование осуществляется разными процессами: 1)Процесс полного вытеснения проводят в трубчатом ферментере, в который с одной стороны подается питательная среда и посевной материал, а с другой – вытекает культура. Такой процесс применяют в пищевой промышленности, в частности при пр-ве пива.
2)Процесс полного замещения проводят в ферментерах при интенсивном воздушном или механическом перемешивании. Этот способ часто называют гомогенно-непрерывным. В ферментере создаются условия, которые соответствуют определенной фазе роста м-ов. При быстром замещении среды – это условия экспоненциальной фазы, при медленном – стационарной.
В зависимости от используемого оборудования различают два вида непрерывного культивирования м-ов: хемостатный и турбидостатный.
Хемостат – аппарат для выращивания м-ов, в который с постоянной скоростью поступает питательная среда и с такой же скоростью происходит отток культуры. В хемостате длительное время поддерживается постоянный урожай культуры, скорость роста и концентрация питательной среды.
Турбидостат – в среде поддерживается постоянный уровень биомассы м-ов, который регистрируется по оптической густоте культуры специальным устройстврм с фотоэлементом. В этом оборудовании скорость накопления биомассы определяет скорость притока питательной среды (это основное отличие!).
Метод непрерывного культивирования приобретает все большее практическое значение, т.к. он позволяет получить высокий выход микробных продуктов и обеспечивает контроль производства.
Ферментер(биореактор) – это устройство для культивирования м-ов, которое обеспечивает оптимальные условия для их роста и метаболической активности, а также защиты от внешнего загрязнения.
Основные блоки ферментера (по Нетрусову): ротаметр (для подачи воздуха), снабженный бактериальным фильтром для стерилизации воздуха; магнитная мешалка; обратный холодильник; бактериальный фильтр для стерилизации выходящего воздуха; сосуд с дезраствором для стерилизации выходящих газов; стерильный пеногаситель; система для нагревания питательной среды в ферментере; емкость для суспензии м-ов; емкость для стерильной питательной среды; насос; блок управления.
С целью улучшения снабжения м-ов кислородом, проводят аэрацию питательной среды путем постоянного перемешивания на качалках разного типа. В производстве для культивирования аэробных м-ов используют ферментеры, оснащенные мешалками и нагнетателями воздуха.
Анаэробные м-мы культивируют в специальных аппаратах – анаэростатах,в анаэробных боксах в специальной герметической посуде в атмосфере азота или инертного газа (аргона).
Фототрофные бактерии выращивают в специальных устройствах: люминостатах:термостатах, оснащенных лампами дневного света.
Источник
8.2. Способы культивирования микроорганизмов
Способ культивирования зависит от конечной цели культивирования (целью является либо накопление биомассы, либо получения определенного продукта жизнедеятельности — метаболита).
Поверхностное культивирование заключается в выращивании аэробных микроорганизмов на поверхности жидких и сыпучих питательных сред. При этом микроорганизмы получают кислород непосредственно из воздуха. При поверхностном культивировании на жидких средах микроорганизмы растут в виде пленок. Осуществляется поверхностное культивирование в специальных ваннах — кюветах.
Глубинное культивирование проводится на жидких питательных средах, в которых микроорганизмы развиваются во всем объеме питательной среды. Сочетание питательной среды и растущих в ней микроорганизмов называют культуральной жидкостью. Осуществляется глубинное культивирование в специальных аппаратах — ферментаторах, снабженных мешалками и системой подвода стерильного воздуха для обеспечения роста аэробных микроорганизмов. Аэрирование — продувание стерильного воздуха через культуральную жидкость.
При периодическом культивировании весь объем питательной среды засевают чистой культурой, которую выращивают в оптимальных условиях определенный период времени до накопления нужного количества целевого продукта. Следует отметить, что так как культивирование ведется на не возобновляемой питательной среде (в стационарных условиях), то клетки все время находятся в меняющихся условиях. Таким образом, периодическую систему можно рассматривать как замкнутую систему.
При непрерывном культивировании культура находится в специальном аппарате, куда постоянно притекает питательная среда и с такой же скоростью отводится культуральная жидкость. Для микроорганизма создаются неизменные условия среды, поэтому непрерывную систему можно рассматривать как открытую систему.
Поверхностное культивирование может быть только периодическим, в то время как глубинное культивирование может осуществляться и периодическим, и непрерывным способом.
8.3. Закономерности роста статической и непрерывной культуры
При периодическом способе культивирования популяция микроорганизмов проходит 7 стадий (фаз) роста (рис. 8.1).
Рис. 8.1 Кривая роста статической культуры
N — концентрация жизнеспособных клеток; τ – продолжительность культивирования
1. Лагфаза. В этот период культура адаптируется к новой среде обитания. Активизируются ферментные системы, возрастает количество нуклеиновых кислот, клетка готовится к интенсивному синтезу белков и других соединений. Клетки не размножаются (скорость размножения равна нулю). Концентрация живых клеток постоянна и равна количеству внесенных клеток. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизма и от состава питательной среды.
2. Фаза ускорения роста. Эта фаза характеризуется началом деления клеток, увеличением общей массы и постоянным увеличением скорости роста культуры. Эта фаза обычно непродолжительна.
3. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза роста. В этот период микроорганизмы размножаются с постоянной максимальной скоростью. При этом логарифм числа клеток линейно зависит от времени. К концу этой фазы среда истощается вследствие катаболических и анаболических процессов, в среде накапливаются продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Возникает и пространственная ограниченность, так как клетки мешают друг другу.
4. Фаза замедления роста. В этот период снижается скорость роста, небольшая часть клеток гибнет. Скорость роста выше скорости отмирания.
5. Стационарная фаза. Количество живых клеток достигает максимума. Скорость роста равна скорости отмирания клеток, поэтому концентрация жизнеспособных клеток остается постоянной.
6. Фаза ускорения отмирания. Количество отмерших клеток (скорость отмирания) становится больше количества образовавшихся клеток.
7. Фаза отмирания. Масса живых клеток значительно уменьшается, так как в среде нет питательных веществ, а запасные вещества клетки исчерпываются.
В основу способа непрерывного культивирования положено культивирование микробной популяции в условиях хемостата и турбидостата.
Рост в хемостате. Хемостат состоит из сосуда, в который вводят с постоянной скоростью питательный раствор. По мере поступления питательного раствора из него вытекает суспензия микроорганизмов с той же скоростью. При культивировании в условиях хемостата поддерживается постоянная концентрация одного из компонентов среды (например: углерода). Благодаря этому в условиях хемостата поддерживается постоянная скорость роста культуры. Культура микроорганизма находится в условиях динамического равновесия.
Рост в турбидостате. Работа турбидостата основана на поддержании постоянной концентрации живых клеток. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, а скорость роста бактерий приближается к максимальной.
Источник
