XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В настоящее время микробиологические процессы культивирования по способу производства разделяются на периодические, непрерывные и промежуточные.

Под периодическим и непрерывным методом производства подразумевается способ загрузки и выгрузки основного потока среды в ходе ферментации.

При периодическом процессе загрузка питательной среды и выгрузка готового продукта выполняется однократно с непрерывной либо импульсной подачей разных добавок, поддерживающих рН среды на необходимом уровне.

В непрерывном культивировании загрузка питательной среды и выгрузка продукта совмещены во времени. В большинстве случаев переход на непрерывный режим культивирования осуществляется после всестороннего изучения процессов получения целевого продукта периодическим способом. Однако подобный переход не всегда получается осуществить. Как показывает практика, на каждый процесс, который удается перевести на непрерывный режим, возникают до 10 новых периодических процессов микробиологического синтеза.

В непрерывных процессах культура микроорганизмов безостановочно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Гарантируется это постоянной подачей в биореактор свежей питательной среды с непрерывной скоростью, где объем культуры удерживается на неизменном уровне путем беспрерывного отлива доли культуральной жидкости, включающей клетки и продукты их жизнедеятельности. При этом можно управлять действием любого фактора среды либо его комбинаций. Основательным принципом беспрерывных процессов служит баланс между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой Непрерывная система культивирования характеризуется более высокой однородностью выращенной культуры, что является одним из основных условий при приготовлении сывороток и вакцин.

Промежуточные процессы включают отъемно-доливной или многоциклический непрерывный режим культивирования, которые осуществляются с непрерывной подачей эквивалентного объема питательной среды в ферментатор и периодическим отъемом культурально-суспензионной жидкости из него, это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания, а полунепрерывные процессы и другие являются их модификацией. Тип процесса к тому же оценивается по конечному или целевому продукту Целевым продуктом культивирования является биомасса микроорганизмов, а также продукты их метаболизма.

Особенности культивирования микроорганизмов, которые отличают его от других производств:

- конечный продукт процесса не является товарным продуктом

- культивирование микроорганизмов осуществляется в условиях абсолютной чистоты исходной популяции, что в свою очередь связано со стерилизацией как основной, так и вспомогательной аппаратуры и всех компонентов, которые поступают в ферментатор;

- свойства гетерогенных многофазных систем в ходе процесса часто изменяются;

- многообразие биохимических механизмов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов, основанных на ферментативных процессах;

- сложность питательных сред, которые включают большое число компонентов

- автокаталитичность процесса ферментации, то есть влияние

продуктов реакции, в том числе образовавшейся биомассы и продуктов

- невысокие концентрации получаемых продуктов и скорость реакций;

- умеренная температура в пределах 20-400 С и близкие к нейтральному значения рН.

Поиск оптимальных условий культивирования микроорганизмов с учетом перечисленных выше факторов при многообразии их видов и особенностей является сложной задачей.

В зависимости от способа изготовления целевого продукта микробиологического синтеза различают пути и способы оптимизации процессов и характеризующих их параметров. есть главные направления оптимизации процессов культивирования, которые представлены общими для непрерывных и для периодических режимов:

- селекция микроорганизмов – продуцентов;

- оптимизация состава ферментационных и посевных сред;

- подбор подходящей ферментационной техники (в том числе разрешение задач стерилизации оснащения, среды, и, кроме того задач масштабного перехода);

-оптимизация систем аэрации также размешивания в согласовании с необходимостями процесса культивирования микроорганизмов;

- оптимизация режимов температуры, рН при культивировании;

- оптимизация порядка подачи добавок, субстрата также иных компонентов в процессе культивирования;

- определение наиболее благоприятной длительности периода ферментации;

-усовершенствование способов контролирования, регулировки ключевых характеристик, а также способов оценки состояния культивирования.

Такого Рода сложный процесс, как разведение микроорганизмов, потребует с целью собственного отображения большое число характеристик, определяющих разнообразные стороны его проявления. Он содержит в себе как внешние управляющие воздействия, так и характеристики физиологического состояния культуры. Внешними управляющими воздействиями считаются аэрация, смешивание, приток теплоносителя либо хладоагента, регулировка величины рН, пеногасителей, дозировка азотных, углеводных, фосфорных также иных субстратов. При непрерывном или промежуточном способе культивирования требуется регулирование 18 скорости разбавление биомассы. Их важнейшими параметрами являются температура, рН, концентрация биомассы субстрата, растворенного кислорода и углекислого газа. На продолжительность генерации оказывает значительное влияние температура и физико-химические свойства питательной среды. Физиологическое состояние культуры микроорганизмов определяется множеством процессов, происходящих в клетке. Наряду с концентрацией биомассы оно определяется содержанием ДНК, РНК, рибосом, различных ферментов, коферментов и целым рядом других продуктов ее жизнедеятельности. Исходя из этого, оценка физиологического состояния культуры всегда проводится по различным кинетическим параметрам, характеризующим внешнее проявление роста биомассы, основными из которых являются удельная скорость роста культуры, скорость закисления или защелачивания среды, скорость потребления кислорода и компонентов питательной среды, выделение углекислого газа и других продуктов метаболизма. Использование в системах регулирования параметров физиологического состояния позволяет вести обратную связь процесса. Правильный выбор режима регулирования этими воздействиями является одной из основных задач оптимизации микробного синтеза.

Наиболее современными методами наработки биологической массы в промышленном производстве биологических препаратов является крупномасштабное культивирование микроорганизмов в периодическом и непрерывном режиме. При этом для культивирования микроорганизмов используют ферментаторы различной емкости, оборудованные системой подачи и перемешивания, а также контрольно - измерительными приборами.

Первые работы по глубинному культивированию относятся к 1947 – 1953 годам и проводились с В. аbortus. Е.К.Волик культивировал бруцеллы в питательной среде на основе ферментативного гидролизата говяжьего мяса в котловой установке при интенсивной аэрации среды. Это позволило в течение 48 часов получать биомассу в концентрации до 36 млрд. м.к./мл. В неаэрируемых условиях концентрация биомассы составляла 1,6 млрд.м.к./мл. При непрерывном культивировании бруцелл A.Hauschild, H.Рivnick добились роста концентрации бруцелл до 20 млрд. м.к./мл. Периодическое культивирование на триптически-казеиноводрожжевом бульоне и казеиново-грибной среде позволило Н.С.Семченой получить через 20 часов культивирования до 18-25 млрд. м.к./мл, а их жизнеспособность составляла 90-98%. Культивирование на сепарированном молоке с казеином позволило Н.А. Михайлову (1972) получить до 8 – 10 млрд. м.к./мл. М.Zavanella при культивировании на среде, содержащей мясной пептон и дрожжевой экстракт, достигла 7,8 – 19 11,0 млрд. м.к./мл. Культивируя В. abortus на бульоне Хоттингера, Г.И.Николаева получила концентрацию культуры бруцелл от 10–30 млрд. м.к./мл. Н.З.Хазипов, К.М.Салмаков использовали питательную среду, содержащую печеночно-мясной бульон. Культивирование В.аbortus шт.82 осуществляли в 25-литровом реакторе - ферментатора. Через 48 часов периодического культивирования концентрация бруцелл достигала в среднем 25 млрд. м.к./мл. Установлено, что культура В.аbortus обладает стабильными культурально - морфологическими и агглютинабильными свойствами, которые полностью сохраняются в процессе суспензионного выращивания в исследуемых средах. Следовательно, культивирование культур микроорганизмов в открытых и закрытых системах (непрерывные и периодические) наиболее перспективные и развитые способы их выращивания. Преимущества этих методов культивирования состоят в стандартности условий проведения процесса, высокой производительности, возможностях тонкого управления кинетикой роста популяции, изучения основных закономерностей прохождения во времени микробиологических процессов на клеточном уровне.

Список литературы

1. Бирюков В.В. Оптимизация периодических процессов культивирования микроорганизмов//М.-Наука,1985.-С.215-292.

2. Варфоломеев С.Д. Кинетические основы микробиологических процессов//М. Высш.шк.,1990.-266 с.

3. Волик Е.К. Культивирование бруцелл в питательной среде на основе ферментативных гидролизатов говяжьего мяса//Тр. ГНКИ,1955.-С.201-218.

4. Виестур У.Э. Культивирование микроорганизмов//Л.: Пищевая промышленность, 1980.- 231 с.

5. Михайлов Н.А. Способ глубинного культивирования вакцинного штамма 19 в жидкой среде и использование его для получения живой сухой бруцеллезной вакцины//Тр. ГНКИ,1972.-С.69-70.

6. Николаев Г.И. Опыт промышленного производства бруцеллезной вакцины шт.19, выращенной глубинным методом//Передовой научно-производственный опыт в биологической промышленности М., 1977,№1.-С.15-19.

7.Печуркин Н.С. Анализ кинетики роста и эволюции микробных популяций//Новосибирск: Наука,1975.- 215 с.

8. Работнова И.Л. Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов// Сб.тр.М.,1980.- 220 с.

9. Семчева Н.С. Вакцины и сыворотки // Материалы по производству.- Медицина, 1965.-в.3.-С.55-65.

10. Хазипов Н.З. Обмен аминокислот у бруцелл при их культивировании//Ветеринария, 1973,№4.- С.42-44. 11. Hauschild A. Continuous culture of Brucella abortus S19//Canad. I. Microbiol. 1961, 7. 4.- p. 491-505.

Код для цитирования: Скопировать