Непрерывные процессы Классификация процессов ферментации

Непрерывные процессы При непрерывном способе питательная среда непрерывно подается в ферментер (биореактор), в котором создают оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из ферментера также непрерывно вытекает культуральная жидкость вместе с микроорганизмами. В непрерывных процессах биообъект поддерживается в экспоненциальной фазе роста. При этом существует равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

Непрерывное культивирование проводится в открытой динамической системе, которая может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Эта система способна к длительной работе в постоянном установившемся режиме. При гомогенно-непрерывном процессе в аппарате, где идет интенсивное перемешивание, все параметры постоянны во времени. При гетерогенно-непрерывном процессе несколько ферментеров соединены вместе. Питательная среда поступает в первый аппарат, готовая культуральная жидкость вытекает из последнего.

Поддержание динамики равновесия в биореакторе осуществляется двумя методами: турбидостатным и хемостатным. По турбидостатному принципу концентрация биомассы поддерживается скоростью потока среды, а по хемостатному – концентрацией подаваемого субстрата.

Рост в хемостате. При культивировании в условиях хемостата поддерживается постоянная концентрация одного из компонентов среды (например, углерода). Благодаря этому в условиях хемостата поддерживается постоянная скорость роста культуры. Культура микроорганизма находится в условиях динамического равновесия. В хемостате скорость разбавления питательной среды является постоянной в соответствии с заданной плотностью популяции. По мере поступления питательного раствора из него вытекает суспензия микроорганизмов с той же скоростью. Изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста.

Рост в турбидостате. Работа турбидостата основана на поддержании постоянной концентрации живых клеток. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, а скорость роста бактерий приближается к максимальной. В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры в ферментере. Скорость разбавления устанавливается автоматически в соответствии с заданной плотностью популяции.

Непрерывная ферментация может проходить в гомогенной системе идеального смешения, системе полного вытеснения или системе твердожидкостного типа.

Гомогенные системы идеального смешивания В этой системе микроорганизмы растут в культуральной среде, постоянной по своему составу и находятся с состоянии установившегося динамического равновесия. По количеству ферментеров могут быть: одностадийные; двухстадийные; многостадийные.

Культивирование полного вытеснения Трубчатый ферментер полного вытеснения: S0 – концентрация субстрата в поступающей среде; Х0 – начальная концентрация биомассы; S0S0 Х0Х0 xs Этот способ культивирования используется для анаэробных условий. Открытая система полного вытеснения отличается от системы идеального смешения тем, что культура в ней не перемешивается и представляет собой поток жидкости через трубку. Наиболее распространенным аппаратом является трубчатый ферментер.

Системы твердожидкостного типа К системам твердожидкостного типа относят многофазные системы, в которых культура растет на границе разных фаз: жидкость – твердая фаза – газ. В этих системах клетки удерживаются путем прилипания к твердой основе – наполнителю и размножаются на нем, образуя пленку биомассы. В данной системе лимитирующим фактором для аэробных микробов являются кислород и субстрат (питательные вещества). В тонких пленках каждая из прикрепленных в поверхности клеток полностью обеспечена этими веществами и способна расти и размножаться с максимальной экспоненциальной скоростью. По мере того, как клетки образуют более толстую пленку биомассы, рост их ограничивается (верхним слоям не хватает кислорода, нижним – питательных веществ).

Плюсы и минусы В промышленных целях непрерывная ферментация применяется реже, хотя стоимость получения определенного количества биомассы в ферментере непрерывного действия существенно ниже, чем в биореакторе, работающем в периодическом режиме. Это удешевление обусловлено следующим: - при непрерывной ферментации нужны не столь громоздкие биореакторы и оборудование для сбора клеток, их разрушения, последующей очистки белкового продукта или метаболита, синтезированного микроорганизмами; - биореактор периодического действия время от времени разгружают, готовя к повторному использованию (ремонт, чистка, стерилизация биореактора - основная причина снижения эффективности процесса); для ферментера, работающего в непрерывном режиме, простой существенно меньше; - при непрерывной ферментации синтез целевого продукта происходит более согласованно, так как физиологический статус большинства клеток одинаков. Непрерывную ферментацию используют для промышленного получения белков одноклеточных микроорганизмов и антибиотиков, однако и этот способ выращивания микроорганизмов связан с определенными затруднениями: · продолжительность ферментации в непрерывном режиме составляет иногда ч, в течение которого некоторые клетки могут потерять рекомбинантные плазмиды (известно, что клетки, не несущие плазмид, расходуют меньше энергии, делятся быстрее, поэтому со временем выход целевого продукта может снижаться из- за уменьшения числа клеток, способных его синтезировать); · в промышленных установках затруднительно в течение длительного времени поддерживать стерильные условия; непрерывные процессы требуют наличия стерильного резервного оборудования, что значительно увеличивает основные затраты.