Непрерывное культивирование микроорганизмов. Лекция 8

1. Непрерывное культивирование микроорганизмов

Хемостат с рециркуляцией
биомассы клеток

2.

Одним из недостатков хемостата
является его склонность к
вымыванию культуры.
Для борьбы с этим явлением
используется комплекс «ферментерсепаратор».

3. Схема: ферментер-сепаратор

4. Материальный баланс биомассы в сепараторе

Связь между FC (сгущенная биомасса) и
F (концентрация биомассы)

5.

Концентрация биомассы:
удельная скорость роста биомассы в
ферментере
Производительность данного комплекса:

6. Связь концентрации субстрата со скоростью разбавления

а – коэффициент рециркуляции,
в – коэффициент сгущения биомассы

7.

При работе комплекса «ферментерсепаратор» концентрация субстрата
на выходе из ферментера S
уменьшается по сравнению с
обычным хемостатом, а
производительность системы по
биомассе Qкомпл. увеличивается.

8. основные направления использования комплекса «ферментер-сепаратор»:

повышение производительности
системы непрерывного
культивирования, если этого
невозможно достичь просто за счет
повышения исходной концентрации
субстрата So, например при очистке
сточных вод или утилизации
малоконцентрированных растворов
субстрата;
более полное потребление из среды
субстрата.

9. Двухстадийный хемостат

Двухстадийный хемостат – это два
последовательно соединенных
аппарата непрерывного
культивирования, при котором среда,
выходящая из первого аппарата,
поступает во второй.

10.

11.

Балансовые уравнения для второго аппарата

12. Особенности двухстадийного хемостата:

1. Удельная скорость роста биомассы во
втором аппарате не равна скорости
разбавления, как в одностадийном
хемостате, а меньше ее. Следовательно,
концентрация биомассы во втором аппарате
никогда не может стать равной нулю при
любом разбавлении.
Задавая высокую скорость разбавления во
втором аппарате, можно не беспокоиться,
что произойдет вымывание культуры.
Значение удельной скорости роста во
втором хемостате будет возрастать, и будет
возрастать экономический коэффициент

13.

Особенности двухстадийного
хемостата:
2. Концентрация субстрата во втором
аппарате всегда меньше, чем в первом. Для
дополнительного прироста биомассы
требуется субстрат, который расходуется из
запаса, имеющегося во входящем потоке.
Пример: выращивание кормовых дрожжей на
парафинах нефти. Остаточный субстрат вместе с
биомассой идет в кормовой продукт, но то, что
хорошо для микроорганизмов, — не всегда хорошо
для животных. В системе очистки стоков остаточная концентрация субстрата, ее снижение цель всего процесса.

14. Особенности двухстадийного хемостата:

3. Концентрация биомассы во втором
аппарате всегда больше, чем в первом.
Существующая в первом аппарате биомасса
проходит через второй аппарат транзитом, а к
ней добавляется приросшая в нем биомасса.
4. Общая продуктивность двухстадийного
хемостата не превышает суммарной
продуктивности эквивалентной по объему
системы из двух параллельно работающих
одностадийных хемостатов.
Но при этом больше концентрация биомассы в
выходном потоке, что облегчает выделение и
концентрирование биомассы, И другая
особенность, снижается остаточная
концентрация субстрата.

15. Особенности двухстадийного хемостата:

5. Важная особенность двухстадийного и
многостадийного хемостатов:
последующие аппараты должны быть
более интенсивными по массопередаче
кислорода, так как они «обслуживают»
большую концентрацию биомассы.

16.

6. Двухстадийный хемостат часто оказывается
удобным для тех процессов, в которых целевым
продуктом является не биомасса, а продукт
метаболизма.
Обычно для оптимального протекания
процессов биосинтеза продуктов метаболизма
требуются условия, отличающиеся от фазы роста
микроорганизмов: более низкая скорость
протока, меньшая концентрация в среде
лимитирующего субстрата.
В этом случае в
первом аппарате поддерживают условия,
оптимальные для роста микроорганизмов, а во
втором — для биосинтеза продуктов
метаболизма

17. Метод импульсных добавок для подбора оптимальной среды в хемостате

В ферментер подаются
четыре потока
различных субстратов,
выходящий из
аппарата поток
жидкости будет равен:

18.

Как обнаружить реакцию культуры
микроорганизмов на подачу того или
иного источника питания?
- Концентрация биомассы изменяется
медленно,
- Ее трудно измерять.

19.

Для аэробных процессов используют
параметр, пропорциональный общей
скорости роста биомассы.
- Интенсивность дыхания культуры или
скорость потребления кислорода, или
образования углекислого газа.

20. Fвозд. И ССО2 – измеряют газоанализатором

Q CO2 - скорость
образования
углекислого газа;
G CO2 - общее
количество
углекислого газа на
весь объем
ферментера

21. Метод импульсных добавок

1. В аппарат вносят дозу одного из
субстратов сверх его непрерывной подачи.
При этом концентрация этого субстрата
сначала кратковременно возрастает, а затем
снижается до исходного уровня.
Интенсивность дыхания тоже
кратковременно возрастает и как бы
повторяет кривую изменения концентрации
субстрата, если в среде имеет место его
недостаток. Если недостатка нет, то
никакого эффекта добавление субстрата не
вызывает.

22. Метод импульсных добавок

2. Можно последовательно менять
скорость подпитки субстрата и
наблюдать за изменением
интенсивности дыхания.
Изменение расхода субстрата
прекращается, если очередное его
увеличение не привело к увеличению
интенсивности дыхания

23. Метод импульсных добавок является удобным способом корректировки подачи субстратов в непрерывном хемостате

24. Непрерывное культивирование с внешним регулированием параметров

турбидостат;
респиростат;
рН-стат;
теплостат;
оксистат;
нутристат

25. турбидостат

Скорость разбавления в аппарате не
поддерживается на постоянном
уровне, а регулируется в зависимости
от концентрации биомассы.
способ измерения концентрации
биомассы — определение степени
поглощения светового потока
суспензией. Он называется
турбидиметрическим.

26.

27. Интенсивность дыхания культуры пропорциональна росту, образованию продукта и поддержанию жизнедеятельности

28. респиростат

с помощью газоанализаторов
кислорода или углекислого газа
можно измерять интенсивность
дыхания культуры
регулируя интенсивность дыхания,
можно регулировать и концентрацию
биомассы, а следовательно, скорость
подачи субстрата

29. Лучше не поддерживать дыхание на постоянном уровне, а все время искать скорость разбавления, обеспечивающую его максимум

30. оксистат

подачу питательной среды в аппарат
(скорость разбавления) осуществляют
таким образом, чтобы поддерживать
постоянное, относительно малое
значение концентрации растворенного
кислорода в среде

31. Скорость потребления кислорода QО2 пропорциональна сумме его затрат на рост биомассы, образование продукта и поддержание

жизнедеятельности культуры
Величина QO2 связана с концентрацией
растворенного кислорода

32. как всякий субстрат, растворенный кислород влияет на скорость роста биомассы и через него — на Qo2 , часто по зависимости Моно

33.

при возрастании С скорость роста
биомассы сначала увеличивается
очень быстро, но выше некоторого
критического значения Скр, скорость
роста (и как следствие — скорость
потребления кислорода) уже
практически не зависит от величины
С.

34. Оксистат – способ ведения непрерывного процесса ферментации (способ Господки)

35. рН-стат

Рост микроорганизмов зачастую
сопровождается выделением в среду
некоторых кислот (закислением).
Замедление же роста при недостатке
субстрата вызывает, наоборот,
защелачивание культуры, выражающееся в
повышении рН. В некоторых процессах
величина рН используется как параметр, в
зависимости от которого в аппарат подается
питательная среда.

36.

Скорость подачи субстрата
регулируется таким образом, чтобы
величина рН поддерживалась на
некотором постоянном уровне.
Исключают регулирование рН
другими способами — подачей в
аппарат щелочи или кислоты.

37. нутристат

подача питательной среды в аппарат
осуществляется так, чтобы
поддерживать заданное значение
концентрации субстрата S

38. В хемостате специально следить за концентрацией субстрата не нужно — она устанавливается сама собой в зависимости от скорости

разбавления:

39. Другая ситуация возникает, когда удельная скорость роста зависит от концентрации субстрата S по уравнению Андрюса, т. е. когда

функция μ(S) проходит через экстремум

40.

Трудно поддерживать необходимую
концентрацию в зоне ингибирования роста,
если эта повышенная концентрация
способствует оптимальной скорости
биосинтеза продукта метаболизма.
Этот способ имеет неудобство: необходимо
непрерывно измерять концентрацию
субстрата в аппарате, что не всегда просто
осуществить

41. теплостат

Скорость
тепловыделения
обычно связана с
ростом
микроорганизмов.
Зависимость скорости
тепловыделения от
температуры подобна
зависимости удельной
скорости роста от
температуры.

42. Преимущества и недостатки непрерывного способа культивирования микроорганизмов

ПРЕИМУЩЕСТВА
1. Рост биомассы можно поддерживать
неопределенно долго.
2. Можно исключить влияние физических
или химических факторов на рост и на
образование продукта при постоянной
скорости роста.
3. Можно за счет разбавления поддерживать
постоянную концентрацию биомассы.

43. Преимущества:

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.

44. Преимущества:

8. Процесс имеет большую производительность
и относительно малое непродуктивное время
(лишь в период запуска).
9. Облегчены механизация и автоматизация.
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
микроорганизмами.
13. Непрерывные процессы можно использовать
для автоселекции микроорганизмов.

45. 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 капитальные вложения
(непрерывная стерилизация среды,
автоматизация и т. д.).
4. Трудно обеспечить непрерывное дозирование
нерастворимых твердых субстратов

46. Недостатки:

5. Больше опасность инфицирования из-за
большей длительности культивирования.
6. Возможность «вырождения» культуры
(за счет автоселекции) из-за большого
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 их
вязкости и гетерогенности.