Методы общей бактериологии (том 1) (947292), страница 77
Текст из файла (страница 77)
з1еабу-з1а1е) для непрерывного культивирования не обязательна. Однако в большинстве работ цо изучению количественных аспектов непрерывного культивирования описываются системы с постоянной концентрацией биомассы. Рассмотренные ниже принципы относятся только к непрерывному культивированию в равновесном состоянии. Термин «равновесное состояние» часто употребляют в литературе в связи с непрерывным культивированием; буквально он означает, что во время исследования не происходит изменения состояния культуры.
На самом деле это определение слишком широко, поскольку на практике при непрерывном культивировании некоторые 395 ЧАСТЬ П. РОСТ параметры могут меняться, тогда как другие при этом остаются постоянными. Поэтому непрерывную культуру в равновесном состоянии определяют как культуру с постояной концентрацией биомассы в определенный период наблюдения. В противоположность этому в периодической культуре постоянная концентрация растворенного кислорода поддерживается происходящими в среде изменениями, но содержание в ней биомассы меняется. Непрерывное культивирование в равновесном состоянии возможно только в том случае, когда все поступающие потоки, необходимые для накопления биомассы, точно сбалансированы с потоками, участвующими в выводе биомассы из системы.
Это видно при рассмотрении общего материального баланса веществ в бактериальных клетках: Клетки, добавляемые к системе — Клетки, удаляемые из системы+ + Клетки, образующиеся в процессе роста культуры — Клетки которые погибают= Клетии, иакапливающиеся в системе Математически это уравнение выражается следующим образом еХ е + Х Х Ш (10.7) где г' — скорость подачи среды в фермсптер н ее выхода из него (л/ч), )г — объем жидкости в ферментере (л), Хо и Х вЂ” биомасса (г/л) соответственно в поступающем потоке среды и в самом ферментерс, 1А — удельная скорость роста, и — удельная скорость гибели клеток (ч — '), т(Х/с(/ — скорость изменения биомассы (г/л ч).
В состоянии равновесия пгХ/И=О. Теоретически объем чисто непрерывной культуры не меняется (на практике он подвержен незначительным колебаниям), Следовательно, скорости подачи среды в ферментер н выхода культуры из него должны быть одинаковыми. Наконец, поскольку удельная скорость гибели клеток почти всегда значительно меньше удельной скорости их роста, величину а можно не принимать во внимание. Исключения из этого правила наблюдаются только при очень низких скоростях роста микроорганизмов, в присутствии токсичных веществ или в случае культивирования в экстремальных бнофизических условиях. При добавлении в 1О, ЖИДКАЯ КУЛЬТУРА ферментер стерильных питательных веществ Х«=О, и если не принимать во внимание удельную скорость ги.
бели клеток (аХ=О), то в равновесном состоянии Г ) = —,=-й. Иными словами, удельная скорость роста популяции в фсрментере определяется скоростью разбавления А7, которая равна г/)7. Существует много типов непрерывного культивирования; некоторые из них подробно описаны в работах [2, 41. В последующем обсуждении мы ограничимся двумя основными типами непрерывного культивирования: 1) «хемостатом», в котором состояние равновесия достигается путем регулирования поступления лимитирующих рост субстратов, и 2) «турбидостатом», в котором состояние равновесия достигается путем удаления биомассы и замещения ее свежей средой со скоростью, соответствующей росту культуры.
В табл. 10.3 сравниваются различные стационарные параметры турбидостата и хемостата. Хемостат в отличие от турбидостата позволяет с высокой точностью регулировать условия лимитирования роста (субстратнос лимитирование), тогда как турбидостат предпочтителен для изучения микроорганизмов в условиях роста, близких к максимальной удельной скорости. Людекинг [381 опубликовал очень полезный обзор теории и практики непрерывного культивирования. В его статье приведены графический расчет и анализ систем непрерывных культур, которые позволяют обойтись без точной модели реакции скорости роста на изменение свойств окружающей среды (например, модели Моно). Эмпирический подход к непрерывному культивированию, основанный на данных по периодической культуре, имеет свои подводные камни, которые обсуждаются в работах Людекинга [381 и других авторов [6 — 8$ Тем не менее этот подход полезен для получения расчетных критериев. Существует много отклонений от теории простого хемостата. Большинство из них является результатом: 1) образования вещества, для которого может понадобиться усложненная модель выхода продукта как функции 1А; 2) недостаточного псрсмешивания среды в ферментере, из-за чего устойчивая скорость разбавления 397 ЧАСТЬ и.
РОСТ Таблица 1О.З. Сравнение хемостата и турбндостата Турбихостат Хемост ат Рабочие параметры Устойчивое, очень близкое к стационарному состоянию Неустойчивое концентрации субстрата в поступающей питательной среде Заранее определена Лимитирующая Концентрация субстрата при культивировании в состоянии равновесия может превысить критическую; 3) пристеночного роста, который вызывает такой же эффект, как недостаточное перемешивание, но еще более выраженный; 4) необычной физиологической реакции микроорганизмов. Первые три причины отклонений обсуждаются в работе Перта [41, некоторые аспекты четвертой причины в работе Уонга и Сински [59). Другие аспекты физиологической реакции микроорганизмов на поступление питательных веществ и их удаление рассматриваются в равд.
10.5 этой главы. 10.2.1. Хемостат Теория Культивирование в хемостате основано на том, что в простейшей форме рост бактерий можно описать как совокупность реакций, в которых скорость роста культуры Культивирование прн скорости, близкой к максимальной удельной скорости роста Культивирование при низкой удельной скорости роста Скорость разбавления равна удельной скорости роста Концентрация клеток прн постоянной удельной скорости роста зависит от Скорость разбавления Устойчивое стацио- Неустойчивое с пульнарное состояние сацией Только в стационар- Во всех случаях иом состоянии концентрации суб.
страта в поступающей питательной среде Регулируется как функция биомассы Все субстраты могут присутствовать в избытке !О. ЖИДКАЯ КУЛЬТУРА определяется самой медленной реакцией метаболизма. Хотя в растущей культуре осуществляется метаболизм многих питательных веществ, скорость роста идеальной культуры в любой момент времени определяется скоростью метаболизма лишь одного питательного субстрата. Моно (45, 461 установил, что зависимость скорости роста от концентрации субстрата можно предсказать с помощью уравнения, весьма напоминающего уравнение Михаэлиса — Ментен: р= р,. (87(К.+8)) (10.
9) Математическое выражение, сходное с уравнением (10.7) для биомассы, выглядит так: 08 08 1'х у«(а (10.10) где  — скорость (или коэффициент) разбавления (0=г/У), 5е и 5 — концентрации лимитирующего субстрата соответственно в поступающей среде и в фермец- 399 где р — удельная скорость роста культуры, которая для бактериальных культур в экспоненциальной фазе равна (1п2)аж 1А,„— максимальная удельная скорость роста в изучаемой среде, 5 — концентрация изучаемого субстрата в среде, К,— константа насыщения для субстрата, численно равная концентрации лимитирующего ве- 1 щества пРи 1А= — Ржах УРавнение Моно лУчше всего удовлетворяет состоянию равновесия.
Для наших задач можно считать, что состояние равновесия существует в том случае, когда концентрация субстрата не изменяется, и конечная микробная популяция в системе непрерывного культивирования постоянна во времени. Когда хемостат заполняют стерильной питательной средой (Хе=0) без возврата части потока культуральной жидкости, удельная скорость роста культуры численно равна скорости разбавления (уравнение (10.8)1. Это равенство обеспечивается путем управления потребления лимитирующего субстрата за счет добавления свежей питательной среды. Для хемостата баланс лимитирующего питательного компонента можно представить схемой: Поступление — Выход в Потреоленне = Накопление. ЧАСТЬ Н. РОСТ тере, !А — удельная скорость роста культуры в ферментере, Х вЂ” сухая масса клеток в ферментере, у„м — коэффициент общего выхода клеток (экономический коэффициент), т.
е. отношение образовавшихся клеток к количеству использованного субстрата, и д5/гй — скорость изменения концентрации субстрата в ферментере. Понятие общего выхода включает в себя рост культуры н ее поддержание (разд. 10.5). При этом предполагается, что происходит образование только клеток. Если образуется еще какой-нибудь продукт, то следует ввести в уравнение член, соответствующий дополнительному потреблению. В состоянии равновесия уравнение (10.10) выглядит так: ОФА — 8)=!~ Х/5 (10.11) где В,— критическая скорость разбавления (коэффициент разбавления), соответствующая максимальной удельной скорости роста (р „). Работа хемостата прн скоростях разбавления выше В,. приводит к полному вымыванию культуры. Подставив в уравнение (10.11) уравнение (10.8), получим: Х/6( О )' (10.12) Отметим, что уравнение (10.12) было представлено выше без вывода для использования его в периодических системах [уравнение (10.6)1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
