Способы культивирования микроорганизмов

Культивирование можно проводить поверхностным или глу­бинным, периодическим или непрерывным методами,, в аэроб­ных или анаэробных условиях. Здесь рассматриваются в основ­ном методы, используемые в технологии пищевых и микробио­логических производств с использованием только аэробных микроорганизмов.

Способ культивирования зависит от конечной цели культи­вирования: либо целью является накопление биомассы, либо получение определенного продукта жизнедеятельности микро­организма (метаболита).

Поверхностный метод. Поверхностное культивирование за­ключается в выращивании аэробных микроорганизмов на по­верхности жидких и сыпучих питательных сред. При этом мик­роорганизмы получают кислород непосредственно из воздуха. В связи с этим при поверхностном культивировании стараются увеличить площадь соприкосновения среды с воздухом. При поверхностном культивировании на жидких средах микроорга­низмы растут в виде пленок (например, в производстве лимон­ной кислоты). На сыпучих питательных средах поверхностным методом получают ферментные препараты.

Глубинный метод. Этот метод культивирования осуществ­ляется на жидких средах, в которых микроорганизмы разви­ваются во всей толще. Сочетание питательной среды и расту­щих в ней микроорганизмов называют культуральной жидко­стью. Так как микроорганизмы могут утилизировать только растворенный в воде кислород, а растворимость кислорода в воде невелика, то для обеспечения роста аэробных микроор­ганизмов их необходимо постоянно снабжать кислородом. Процесс подвода кислорода в глубь жидкой среды называется аэрированием. Аэрирование осуществляется путем продувания⁵ стерильного воздуха через культуральную жидкость.

Глубинный способ широко используется для получения био­массы микроорганизмов (прессованные хлебопекарные дрожжи,,

Рис.'-" 21-; " Схема ферментатора для глубинного культивирования аэробных микроорганизмов:

1 — вход воздуха; 2 — выход воздуха; 3 —барботер; 4 — отбойник; 5 — Мешалка

кормовые дрожжи) и различных продук­тов жизнедеятельности микроорганизмов (органических кислот, ферментов, анти­биотиков, аминокислот).

Глубинное культивирование проду­центов этих веществ в производстве осу­ществляют в специальных аппаратах — ферментаторах (рис. 21), объем которых может достигать 100 м³ (100 000 л). В современных конструкциях ферментато­ров количество пропускаемого воздуха поддерживается автоматически. Воздух стерилизуется при прохождении через активированный древес­ный уголь, стеклянную вату, пропитанную антисептиком, или специальные полимерные фильтрующие материалы. Для более сильного распыления и дробления пузырьков воздуха его про­пускают через пластинки с мелкими отверстиями — барботе-ры, которые помещают непосредственно в ферментаторы. При­нудительную аэрацию в ферментаторах обычно совмещают с перемешиванием среды с помощью мешалок, вращающихся с частотой от десятков до тысяч оборотов в минуту. Это обеспе­чивает максимальный контакт клеток с кислородом воздуха, с питательными веществами, резко увеличивается поверхность соприкосновения клеток и позволяет поддерживать максималь­ную скорость образования вывода и метаболитов из клеток.

Преимущества глубинного культивирования заключаются в том, что этот способ не требует больших площадей и громозд­кого оборудования, объем ферментаторов можно увеличить за счет увеличения высоты. Преимуществами являются также про­стота обслуживания, возможность автоматизации, а главное, удобство выделения целевого продукта из культуральной жидкости.

Глубинное культивирование микроорганизмов может быть периодическим и непрерывным. При периодическом методе культивирования весь объем питательной среды засевают чи­стой культурой и выращивание ведут в оптимальных условиях определенный период времени до накопления нужного количе­ства целевого продукта. Поскольку культивирование ведется на невозобновляемой питательной среде (в стационарных ус­ловиях), клетки все время находятся в меняющихся условиях. Сначала они имеют в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает недостаток питания и отравление вред­ными продуктами обмена. В связи с этим культура в своем

развитии проходит четыре фазы роста и размноже­ния, в течение которых изме­няются размеры клеток, ско­рость размножения, морфоло­гические и физиологические свойства (рис. 22).

Первая стадия — лаг-фаза^ или фаза задержки роста, сле­дует непосредственно за вне­сением посевного материала в питательную среду. В этой

_ПЛ „, „ фазе микроорганизмы не раз-

Рис 22 Кривая роста бактериальной

культуры- множаются, а приспосаблива-

/-лаг-фаза; Я-логарифмическая фаза; ЮТСЯ К Среде, ПрОИСХОДИТ ПО-
/// — стационарная фаза; УУ-фаза отми- вЫШеНИв СОДерЖаНИЯ НУКЛеИ-
рания

•-•■ г ^

новых кислот, увеличение раз­мера. Эта стадия является подготовкой к дальнейшему интен­сивному синтезу белка клеткой, т. е. ее росту и размножению.

Вторая стадия — фаза логарифмического роста (экспонен­циальная) характеризуется высокой скоростью размножения клеток, так как в среде много питательных веществ и мало вредных продуктов обмена. Время, необходимое для удвоения числа клеток, называется продолжительностью генерации. В благоприятных условиях клетки бактерий делятся каждые 20—30 мин, их число увеличивается в геометрической прогрес­сии (1, 2, 4, 8, 16 и т. д.).

Третья стадия — стационарная (фаза зрелости), когда раз­множение микроорганизмов замедляется и скорости размноже­ния и отмирания уравновешиваются, в результате чего число клеток остается постоянным.

Четвертая стадия — фаза отмирания, когда начинается гибель клеток и их количество снижается за счет отмирания ш автолиза (самопереваривания).

Периодическое культивирование осуществляется во многих производствах, основанных на жизнедеятельности микроорга­низмов. Недостатком периодического культивирования явля­ются нерациональные затраты времени на прохождение всех четырех стадий развития культуры, причем период самой актив­ной жизнедеятельности — фаза логарифмического роста — занимает небольшую часть производственного цикла.

В течение последних тридцати лет все большее значение приобретает метод непрерывного культивирования микроорга­низмов, который состоит в том, что культура находится в спе­циальном аппарате, куда постоянно притекает свежая пита­тельная среда и с такой же скоростью отводится культуральная жидкость. Посевной материал выращивается до стадии лога­рифмического роста и вносится в питательную среду. Длитель­ность периода логарифмического роста зависит от количества 60

питательных веществ в среде, а также от количества вредныж продуктов обмена, выделяемых клеткой.

При большой скорости притока среда быстро обновляется^ питательные вещества не успевают исчерпаться, продукты об­мена не успевают накопиться и культура поддерживается сколь угодно долго в активном состоянии, не достигая стадии отми­рания. Несмотря на значительное аппаратурное усложнение технологического процесса, метод непрерывного культивирова­ния имеет ряд преимуществ по сравнению с периодическим способом.

В последние годы активно разрабатывается и применяется метод непрерывного культивирования клеток микроорганизмов в иммобилизованном (прикрепленном) состоянии — на плен­ках, гранулах, волокнах специально подобранных синтетиче­ских полимерных материалов. Иммобилизованные клетки мик­роорганизмов функционируют многократно и в течение дли­тельного времени сохраняют высокую биохимическую актив­ность.

Непрерывное культивирование очень перспективно и широко используется в пищевой и микробиологической промышленно­сти и создает возможность автоматического поддержания за­данных оптимальных условий, благодаря чему обеспечивается стандартность готового продукта при наименьших затратах.