Способы культивирования микроорганизмов

Биотехнологические процессы воспроизводства микроорганизмов могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Биореактор, ферментер или ферментатор - это закрытая или открыта емкость, в которой при определенных условиях (давление, температура, концен­трация сухих веществ, рН среды и т.д.) протекает на клеточном или молекуляр­ном уровне контролируемая реакция, осуществляемая с помощью микроорганиз­мов.

Периодический процесс включает: а) стерилизацию сред, биореакторов и вспомогательного оборудования; б) загрузку аппарата питательной средой; в) внесение посевного материала (клеток, спор); г) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему; д) синтез целевого продукта; е) отделение и очистку готового продукта. Речь идет о вре­менной последовательности этапов, по окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

Этап роста культуры включает несколько фаз: а) лаг-фазу - сравнительно медленный рост внесенной культуры, осваивающей новую среду обитания в объ­еме биореактора; б) экспоненциальную фазу - бурное деление клеток, сбалан­сированный рост культуры; в) фазу замедленного роста, связанного с исчерпа­нием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболиз­ма; г) стационарную фазу - прирост клеток равен их убыли; д) фазу отмирания - постепенное снижение числа жизнеспособных клеток.

Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так называемые первичные метаболиты) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и т.д. — так называемые вторичные метаболиты или идиолиты).

Широко применяют периодическое культивирование с подпиткой: по­мимо внесения питательного субстрата в реактор до введения в него биообъекта, в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект.

Существует также отъемнодоливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалент­ною объема среды. Это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к за­держке ее перехода к фазе отмирания. Такой режим культивирования в значи­тельной мере уподобляется непрерывному процессу, поэтому называется также полунепрерывным культивированием.

В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экс­поненциальной фазе роста. Обеспечивается непрерывный приток свежей пита­тельной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержа­щей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой. Различают хемостатный и турбидостатный режимы не­прерывного культивирования.

Глубинный метод культивирования продуцентов ферментов

Глубинный метод культивирования заключается в выращивании микроорганизмов в жидкой питательной среде. Он технически более соверше­нен, чем поверхностный, так как легко поддается механизации и автоматизации.

Весь процесс должен проводиться в строго асептических условиях, что с одной стороны, является преимуществом метода, а с другой - составляет наи­большую техническую трудность, т.к. нарушение асептики часто приводит к прекращению образования фермента.

Концентрация фермента в среде при глубинном культивировании обыч­но значительно ниже, чем в водных экстрактах поверхностной культуры. Фильт­раты культуральных жидкостей содержат не более 3% сухих веществ. Это вызы­вает необходимость предварительного концентрирования фильтратов перед тем, как выделять ферменты любым методом.

Поверхностный метод культивирования продуцентов ферментов

Культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Мицелий полностью обволакивает и прочно скрепляет твердые части­цы, клетки получают питание за счет содержащихся в этих средах веществ и ис­пользуют для дыхания кислород воздуха, поэтому для их нормального обеспече­ния кислородом приходится применять рыхлые по своей структуре среды с не­большой высотой слоя.

Недостатком метода является необходимость больших площадей для вы­ращивания. Выращивание производственной культуры происходит обычно в не­асептических условиях. Однако среда и кюветы должны быть надежно стерили­зованы. Перед новой загрузкой должны дезинфицироваться растильные камеры, а также все мелкое оборудование и инвентарь.

Главное преимущество поверхностного метода - более высокая конечная концентрация фермента на единицу массы среды. Например, для осахаривания 100 кг крахмала в спиртовом производстве требуется 5 кг поверхностной культу­ры плесневых грибов или около 100 кг культуральной жидкости. Поверхностные культуры можно быстро и легко высушить, их легко перевести в товарную фор­му и транспортировать. Меньше потребность электроэнергии по сравнению с глубинным методом.