Культивирование микроорганизмов

Для осуществления любого биотехнологического синтеза необходимы культура клеток (микро­организмов или других живых объектов), питательная среда, аппаратура для выращивания и про­ведения вспомогательных операций, средства контроля и управления.

На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма клеток. Необходимые полезные свойства целевых продуктов (клеток или продуктов метаболизма) создаются, главным образом, на стадии культивирования. Основная задача на после­дующих стадиях состоит в том, чтобы при выделении, сушке и других операциях максимально сохранить и стабилизировать эти полезные свойства.

Культивирование микроорганизмов осуществляется следующими основными способами: в сте­рильных или нестерильных условиях, аэробно или анаэробно, периодическим или непрерывным путем, глубинным, в том числе объемно-доливным, или поверхностным (жидкофазным и твердо­фазным) (см. рис.10).

В основном процесс культивирования осуществляют в стерильных условиях, однако есть примеры нестерильного протекания процесса, и это экономически более выгодно. Например, полу­чение биомассы микроводоросли спирулины в США или переработка отходов. В таких случаях до­лжна быть возможность создать такие условия (особые условия культивирования и требования к объекту культивирования).

Анаэробно культивировать биологические объекты безусловно сложно, но иногда просто необ­ходимо.

Периодические и полупериодические процессы ферментации имеют ряд преимуществ и недос­татков.

К преимуществам можно отнести следующее:

1. Малая стоимость аппарата и системы управления.

2. Гибкость — возможность наработки в одном биореакторе разных продуктов.

Рис. 10. Классификация способов и процессов культивирования микроорганизмов (по Воронину, 2005)

3.

4. Процесс менее подвержен инфицированию и мутациям клеток из-за отсутствия протока и притока и из-за относительно малого времени ферментации.

5. Процесс удобен для получения малых количеств продукта.

6. Условия культивирования можно поддерживать в оптимуме как в фазе роста биомассы, так и в фазе биосинтеза продукта, причем оптимальные условия для биомассы и продукта могут быть различны.

7. Процесс удобен для реализации биосинтеза вторичных метаболитов.

Среди недостатков перечислены приведенные ниже:

1. Необходимость приготовления посевного материала

2. Велико непродуктивное время ферментации

3. В связи с необходимостью частой стерилизации быстрее изнашиваются измерительные приборы, особенно датчики величины pH.

4. Производительность по биомассе и продукту часто ниже, чем в непрерывном процессе.

5. Труднее поддерживать необходимые параметры из-за нестационарности периодического процесса.

6. Процесс более опасен для человека (аппарат чаще открывают, моют, что сопряжено с кон­тактом человека с микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности).

Преимущества непрерывного культивирования многочисленны и приведены далее:

1. Рост биомассы можно поддерживать неопределенно долго.

2. Можно исключить влияние физических и химических факторов на рост и на образова­ние продукта при постоянной скорости роста.

3. Можно за счет разбавления поддерживать постоянную концентрацию биомассы.

4. Можно длительно поддерживать рост, лимитированный одним заданным субстратом, и изучать влияние лимитирования на состав клеток и их активность.

5. Состав среды можно оптимизировать методом импульсных добавок.

6. При непрерывном культивировании удобно определять кинетические константы, выход биомассы.

7. Результаты, полученные при непрерывном культивировании, часто более надежны и во­спроизводимы, чем в периодическом процессе.

8. Процесс имеет большую производительность и относительно малое непродуктивное вре­мя (лишь в период запуска).

9. Облегчены механизации и автоматизации.

10. При постоянстве технологических режимов постоянно и качество продукта.

11. Невысокий износ измерительных приборов в связи со стерилизацией.

12. Снижается опасность контакта обслуживающего персонала с микроорганизмамии.

13. Непрерывные процессы можно использовать для автоселекции микроорганизмов.

Но непрерывное культивирование имеет и свои существенные недостатки.

1. Меньшая гибкость, регулировать можно лишь некоторые параметры (скорость разбав­ления, среду* концентрацию кислорода, температуру).

2. Более высокие требования к постоянству качества сырья.

3. Большие капиталовложения (непрерывная стерилизация среды, автоматизация и т.д.).

4. Трудно обеспечить непрерывное дозирование нерастворимых твердых субстратов.

5. Больше опасность инфицирования из-за больей длительности культивирования.

6. Возможность «вырождения» культуры (за счет автоселекции) из-за большего времени культивирования.

7. Не всегда можно достичь оптимального выхода продуктов метаболизма, не связанных с ростом.

8. Пристеночный рост и агрегатирование клеток могут вызвать вымывание культуры из аппарата.

9- Трудно культивировать в непрерывном режиме мицелиальные культуры из-за вязкости и гетерогенности.

10. Непрерывный процесс предъявляет повышенные требования к надежности оборудо­вания.

При глубинном культивировании микроорганизмы распределяются по всему объему жидкой питательной среды, а источники газообразных продуктов питания (кислород, углекислый газ, азот) и компоненты питательной среды поступают к микроорганизмам в результате аэрации и пе­ремешивания .

Рис. 11. Классификация биореакторов для культивирования биологических объектов — микроорганизмов, клеток растений и животных

При твердофазном поверхностном культивировании клетки растут на поверхности твердой (плотной) среды, содержащей достаточное количество влаги и питательных веществ.

При жидкофазном поверхностном культивировании микроорганизмы растут на поверхности жидкой питательной среды, потребляя содержащиеся в ней субстраты и выделяя в эту среду про­дукты метаболизма.

2.1.