Кривая роста микроорганизмов (характеристика, особенности кривых роста для разных культур микроорганизмов).
Ответы по промышленной микробиологии
1. Методы культивирования.
Для культивирования микроорганизмов применяют поверхностный или глубинныйспособы.
При поверхностном способе микроорганизмы выращивают чаще всего на твердых (рыхлых, увлажненных до 30-80%, например, отрубях) или жидких (реже) питательных средах. В первом случае рост идет на поверхности твердых частиц и в порах, заполненных водой или воздухом, перемешивание отсутствует. Если среда жидкая, то кюветы с ней помещают в вентилируемые воздухом камеры. Культура микроорганизмов потребляет кислород непосредственно из газовой фазы __ воздуха.
Поверхностным способом выращивают аэробные микроорганизмы (например, плесневые грибы).
Глубинный способ характеризуется тем, что микроорганизмы развиваются во всей толще жидкой питательной среды в специальных аппаратах (ферментаторах). Метод применим как для выращивания аэробных (аэрация среды обязательна), так и анаэробных микроорганизмов. Во всех случаях проводят перемешивание питательной среды мешалками.
Культивирование глубинным способом может быть периодическим или непрерывным.
Сущность периодического способа заключается в том, что весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют культуру микроорганизмов и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы (например, при выращивании чистой культуры дрожжей, бактерий; в производстве хлебопекарных дрожжей) или продуктов жизнедеятельности микроорганизмов — метаболитов (например, спирта).
|
|
|
При периодическом культивировании изменяется состав среды (уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается количество метаболитов); скорость роста; морфологические и физиологические свойства культуры. К тому же возникают технологические трудности __ циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и автоматизацию процесса. Эффективность данного способа низкая (70% времени приходится на непроизводительные стадии __ лаг-фазу и фазу отмирания).
Эти недостатки устраняются применением непрерывных способов культивирования.
Данные методы характеризуются непрерывным поступлением в ферментатор свежей питательной среды и непрерывным оттоком готовой культуральной жидкости вместе с клетками введенной культуры микроорганизма.
При непрерывном культивировании можно задержать культуру на логарифмической стадии роста (или любой другой), установки могут длительно работать без остановки на дезинфекцию, время производства сокращается, процесс легче автоматизировать.
|
|
|
Различают гомогенно- и гетерогенно-непрерывное культивирование.
Гомогенно-непрерывный способ отличается интенсивным перемешиванием содержимого в ферментаторе, благодаря этому все параметры в любой точке аппарата и в вытекающей из него среде одинаковы.
Гетерогенно-непрерывный способ характеризуется незначительным перемешиванием среды или полным его отсутствием. При этом состав среды в любой точке аппарата различен, однако показатели системы в целом не изменяются во времени.
Гомогенные методы культивирования чаще всего используют для накопления биомассы микроорганизмов, гетерогенные - для проведения собственно процесса брожения.
Все непрерывные процессы осуществляют в одном аппарате или в батарее, соединенных последовательно между собой ферментаторов.
Периодическое культивирование.
Периодическое культивирование микроорганизмов – метод культивирование микроорганизмов, характеризующийся однократным засевом среды в начале и одноразовым получением биомассы в конце процесса, обычно после полного использования субстрата.
Периодическое культивирование микроорганизмов может быть представлено статическими, динамическими и продленными способами культивирования. Статические процессы осуществляются в стационарных условиях без перемешивания. При этом аэробные микроорганизмы обычно развиваются на поверхности жидкой или твердой среды (поверхностное культивирование), например, поверхностный способ жидкофазного культивирования Aspergillus niger для получения лимонной кислоты.
|
|
|
Периодические динамические процессы осуществляются с помощью перемешивания и аэрации: в жидких средах на качалках, в биореакторах при помощи мешалки и барботера.
Твердофазное культивирование (ТФК) – это выращивание микроорганизмов в массе измельченного влажного твердого субстрата. Технологическими вариантами ТФК являются компостная куча, поверхностное культивирование, перемешиваемый слой, культивирование во вращающихся ферментерах, ТФК с перемешиванием и аэрацией и т.д.
К продленным способам культивирования относятся:
1. отъемно-доливной способ, когда порциями в аппарат подается среда и производится отъем культуральной жидкости;
2. периодическое культивирование с подпиткой, когда в культуральную жидкость добавляется по специальной программе отдельные компоненты питательной среды и периодически отбирается часть культуральной жидкости;
|
|
|
3. диализное культивирование в гильзе, не проницаемой для клеток, но пропускающие растворенные вещества;
4. батарейный способ, когда микроорганизмы развиваются в ряду последовательно соединенных ферментеров.
Непрерывное культивирование.
Непрерывное культивирование - это процесс, при котором в ферментаторе поддерживаются постоянные условия среды, в результате чего микроорганизмы остаются в определенном физиологическом состоянии.
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой стадии непрерывного процесса, стабилизации его во времени, улучшение качества продукции, легкость регулировки и, главное, возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется тенденция в биотехнологии к переходу от периодических процессов к непрерывным.
Принцип непрерывного (проточного) культивирования микробов состоит в том, что в сосуд, где размножаются микроорганизмы, непрерывно подается свежая питательная среда и одновременно втекает такой же объем культуры. По такому принципу организуются две разновидности технического процесса непрерывного культивирования: процесс (технология) полного вытеснения и технология полного смешивания.
При технологии полного вытеснения сосуд для выращивания микроорганизмов (трубчатый ферментер) представляет собой трубку, расположенную горизонтально или вертикально, в которую втекают среда и посевной материал и вытекает культура. Перемешивание не производится.
Таким способом сравнительно легко и несложно культивировать микроорганизмы, не требующие аэрации. С одной стороны ферментера подаются среда и посевной материал, где микробная популяция находится в начале своего развития. По ходу трубки культура «стареет», субстрат исчерпывается, накапливаются продукты метаболизма и вытекающая культура приходит в состояние аналогичное стационарной фазе роста периодической культуры. В результате такого процесса в ферментере воспроизводится полная кривая роста, но не во времени, а в пространстве. В настоящее время появились ферментативные аппараты, обеспечивающие процессы с режимом, приближающимся к полному вытеснению и при аэробном культивировании.
Процесс полного вытеснения применяется в промышленности в тех случаях, когда желательно избежать потери времени на опорожнение, стерилизацию и заполнение емкости. Его применяют в пищевой промышленности, когда используются сложные среды и стоит задача наиболее экономично провести процесс аналогичный тому, который ведется в периодическом режиме.
В процессе полного смешивания рост культур происходит в емкости – ферментере при интенсивном перемешивании. Перемешивание достигается продуванием воздуха или работой мешалки (или тем и другим одновременно). Во всей массе культуры условия должны быть совершенно одинаковыми. В ферментере создаются условия соответствующие одной точки кривой роста культуры. При больших потоках среды эти условия близки к фазе логарифмического роста, при малых – приближаются к условиям стационарной фазы роста культур. При таком методе может быть воспроизведена любая точка роста периодической культуры. В установившемся режиме скорость потока среды, отнесенная к объему культуры в ферментере, называют коэффициентом разбавления.
При таком способе культивирования культура (вследствие возникновения феномена синхронизации роста) обладает способностью самостоятельно автоматически подстраиваться к измененным условиям процесса. Если условия изменяются в сторону ускорения роста, то в ферментере повышается концентрация биомассы и понижается концентрация субстрата, при замедлении роста – концентрация биомассы понизится, а концентрация питающего субстрата повысится.
Существует много способов непрерывного культивирования микроорганизмов, но в биопромышленности в основном применяются два типа:
Хемостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние достигается путем регулирования поступления лимитирующих рост субстратов;
Турбидостатный, при котором состояние равновесия или стационарное состояние культуры достигается путем удаления биомассы и замещения её свежей средой со скоростью равной скорости роста культуры.
Хемостат в отличии от турбидостата позволяет с высокой скоростью регулировать условия лимитирования роста (субстратное лимитирование), тогда как турбидостат предпочтительнее для изучения микроорганизмов в условиях близких к максимальной удельной скорости роста.
Кривая роста микроорганизмов (характеристика, особенности кривых роста для разных культур микроорганизмов).
Кривая роста характеризует рост и размножение бактерий в определенных условиях среды. Кривую роста получают при изучении периодической культуры.
Периодическая культура– это популяция м/о которая развивается в ограниченном объеме среды без поступления питательны веществ.
I Лаг-фаза (англ. lag – отставание) начинается с момента посева бактерий в свежую питательную среду. Клетки адаптируются к данным условиям культивирования, растут, но не размножаются, они достигают максимальной скорости роста.
Продолжительность лаг-фазы зависит от биологических особенностей бактерий, возраста культуры, количества посевного материала, состава питательной среды, температуры, аэрации, рН и др. Одни бактерии обладают коротким периодом задержки роста, другие длинным. Чем моложе культура, тем период короче. Чем состав питательной среды ближе к тому, в котором выращивали микроорганизмы, тем короче лаг-фаза. Изменения в питательной среде приводят к изменению лаг-фазы, так как необходимо время для синтеза ферментов, либо повышения их активности.
II Логарифмическая, или экспоненциальная, или лог-фаза, характеризуется максимальной скоростью деления бактерий.
В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды.Эта фаза многостадийна, так как в начале ее бактерии растут в среде с избытком субстрата, затем концентрация его понижается, изменяется активность ферментов, возрастает содержание клеточных метаболитов. Кроме того, на рост бактерий оказывают влияние многие факторы: видовые особенности бактерий, характер питательной среды и концентрация ее отдельных компонентов, температура культивирования.
III Фаза замедления роста — период в развитии культуры, когда нарастание числа клеток замедлено вследствие исчерпания питательных веществ в среде или отравления продуктами жизнедеятельности.
IV Стационарная фаза характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Факторы, лимитирующие рост бактерий в предыдущей фазе, являются причиной возникновения стационарной фазы. Прироста биомассы нет (μ = 0).В этой фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток. Эти максимальные величины называются урожаем, или выходом. Одним из ограничивающих факторов является максимальная концентрация клеток в единице объема питательной среды. У разных видов бактерий эта величина значительно варьирует. В стационарной фазе клетки характеризуются несбалансированным ростом (клеточные компоненты синтезируются с различной скоростью), уменьшением интенсивности обменных процессов, более высокой устойчивостью к физическим и химическим воздействиям.
V Фаза отмирания (экспоненциальной гибели клеток) характеризуется уменьшением числа живых клеток, возрастанием гетерогенности популяции (появляются клетки, не воспринимающие краситель, со слабым развитием муреинового слоя и др.). Процесс отмирания превалирует над делением.
VI Фаза выживания характеризуется наличием отдельных клеток, сохранивших в течение длительного времени жизнеспособность в условиях гибели большинства клеток популяции. Выжившие клетки характеризуются низкой активностью процессов метаболизма, изменением ультраструктуры клеток (мелкозернистая цитоплазма, отсутствие полирибосом и др.). Клетки более устойчивы к неблагоприятным условиям среды.
Таким образом, при стационарном культивировании микробные клетки все время находятся в изменяющихся условиях: сначала имеются в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает их недостаток, затем отравление клеток продуктами метаболизма.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 4437; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!