МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 3. РІСТ І РОЗМНОЖЕННЯ БАКТЕРІЙ

Безперервне культивування

Указаних змін, які мають місце при періодичному культивуванні, можна уникнути, використовуючи метод безперервного культивування. При цьому в інокулятор (ферментер) певними порціями надходить стерильне повноцінне поживне середовище, а з нього з певною швидкістю відбирається культуральна рідина (середовище з мікробними клітинами та продуктами їхнього метаболізму). Тим самим для культури створюється можливість тривалий час перебувати у фазі експоненційного росту при постійній концентрації субстрату і незмінних інших умов.

Для безперервного культивування характерна постійна подача свіжих поживних компонентів із швидкістю, що дорівнює швидкості видалення культуральної рідини. Якщо культура добре перемішується, то проби, які відбираються з будь-якої частини ферментера, будуть однакові за біомасою і концентрацією субстрату.

При безперервному культивуванні теоретично бактерії ростуть експоненційно, а тому об'єм культури з часом не змінюється. Такий принцип покладений в основу безперервного культивування в хемостатах і турбідостатах.

Хемостат (див. рис. 3.12) має культиватор (ферментер), в який із спеціального резервуара з постійною швидкістю надходить поживне середовище. Завдяки аерації та постійному перемішуванню в культиваторі створюються оптимальні умови для забезпечення киснем і рівномірного розподілу поживних речовин, що надходять з новими порціями розчину. У міру надходження в культиватор поживного розчину з нього витікає культуральна рідина, що можна забезпечити системою подвійного насоса (для введення свіжого середовища і вилучення культуральної рідини).

Рис. 3.12. Безперервне культивування в хемостаті і турбідостаті

Подвійний насос і система регулювання рівня та стану середовища забезпечують практично постійні умови для розвитку культури.

Ріст бактеріальної культури в хемостаті контролюється концентрацією субстрату. На такому обмеженні швидкості росту концентрацією одного з необхідних субстратів (джерело азоту, сірки чи фосфору, донор водню) базується стабільність системи.

Безперервному культивуванню завжди передує періодичне культивування, у процесі якого за рахунок надлишку субстрату накопичується біомаса. Безперервне культивування необхідно розпочинати в той момент, коли в періодичному режимі культура досягає експоненційної фази. Це забезпечує зменшення коливань, спричинених подачею середовища, і виключається вимивання культури, пов'язане з наявністю lag-фази.

Ріст культури у ферментері відбувається за експоненційним законом. Швидкість приросту біомаси визначається рівнянням:, тобто

щільність бактеріальної суспензії росте експоненційно:.

Швидкість зміни щільності бактеріальної суспензії визначається як

де D - швидкість розбавлення культури, год^-1:, де F - швидкість протікання середовища, мл/хв; V- об'єм культиватора.

Якщо μ = D, то втрати внаслідок вимивання клітин і приріст біомаси врівноважують одне одного, тобто зміни дорівнюють нулю, а щільність бактеріальної суспензії Х залишається постійною. Культура при цьому перебуває в стані "динамічної рівноваги». Експоненційне збільшення кількості клітин компенсується експоненційним його зменшенням.

Стабільність динамічної рівноваги культури в хемостаті базується на обмеженні швидкості росту кількістю субстрату. Хемостат є саморегулюючою, простою в роботі системою. Якщо швидкість протікання середовища протягом тривалого часу залишається постійною, то регуляція роботи хемостату здійснюється автоматично.

Турбідостат (див. рис. 3.12) - це найпростіша з усіх систем безперервного культивування. Принцип роботи турбідостату базується на підтриманні постійної щільності бактеріальної суспензії або постійної мутності. На відміну від хемостату концентрацію біомаси в турбідостаті обирає оператор, а швидкість розведення і, відповідно, концентрація субстратів підтримується таким чином, щоб зберігався заданий рівень біомаси. Звідси випливає, що за відсутності потреби в лімітуванні кількості субстрату він додається з надлишком. Тому робота системи найбільш стабільна при питомій швидкості росту культури, близькій до максимальної μ_max. Щільність біомаси контролюється фотоелементом, з'єднаним з реле, що регулює подачу середовища. Якщо щільність біомаси досягає заданого рівня, спрацьовує реле, у культиватор надходить свіжа порція поживного середовища, що супроводжується зменшенням концентрації клітин до певного рівня, і автоматично відключається подача середовища.

Термін "турбідостат" належить до будь-якого методу, в якому щільність клітин підтримується на одному рівні. Він об'єднує методи, засновані на змінах метаболізму, які вимірюються за допомогою "pH-стату" чи "СO₂-стату". Оскільки основні метаболічні функції (поглинання кисню, виділення СО₂, зміни pH та ін.) пов'язані зі швидкістю росту клітин і в кінцевому результаті - з питомою швидкістю росту культури, їх можна використовувати як показникові перемінні при регулюванні потоку середовища.