Тема 3 Переодичне культивування

1. Загальна технологія фармацевтичних та
біотехнологічних виробництв
Спеціальність 133 “Галузеве машинобудування ”
спеціалізації «Обладнання фармацевтичних і
біотехнологічних виробництв»
Tема 3. Періодичне культивування
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ
ТЕХНОЛОГІЙ

2. Культивування мікроорганізмів є основною стадію
технологічного процесу мікробного синтезу .
Під час культивування отримують:
1. біомасу
2. продукти метаболізму, які накопичуються у середині
клітини та у культуральній рідині.
Ферментація – сукупність послідовних операцій від
внесення у підготовлене середовище посівного матеріалу і
до завершення процесу росту клітин або біосинтезу
цільового продукта.
Культуральна рідина - складна суміш, яка утворюється
після закінчення ферментації і складається з клітин
продуценту, розчину невикористаних поживних
компонентів і продуктів біосинтезу.

3. У бактеріальній популяції постійно відбувається ріст, розмноження і
відмирання бактеріальних клітин. У живильному середовищі бактерії
ростуть доти, доки вміст у ньому якогось із необхідних їм компонентів
не досягне мінімуму; далі їхній ріст припиняється. Ріст бактеріальної
популяції в такій «закритій системі» підлягає відповідним
закономірностям. Крива, яка описує залежність концентрації клітин
статичної культури від часу, дістала назву кривої росту. Типова крива
росту має S-подібну формую.
Розрізняють два основні способи культивування мікроорганізмів –
періодичне і безперервне.
При періодичному культивуванні клітини поміщають в закриту
посудину певного обсягу, що містить живильне середовище, і
задають початкові умови. Поступово збільшується щільність
популяції, знижується концентрація поживних речовин і
накопичуються продукти обміну, тобто умови існування
мікроорганізмів змінюються. Періодичну культуру зазвичай
розглядають як замкнуту систему, яка переживає різні фази розвитку.
Кожна фаза характеризується певними фізіологічними параметрами

4. N — кількість клітин (млн/ мл); lg N
— те саме в логарифмічному
виразі; I — лаг-фаза; II — експо-
ненціальна фаза; III— фаза
сповільнення росту; IV —
максимальна стаціонарна фаза; V
— фаза відмирання
I- лаг фаза або початкова фаза -час, від
моменту висівання бактерій на живильне
середовище й до досягнення максимальної
швидкості росту. В цей період бактерії
пристосовуються до умов культивування.
Тривалість цієї фази залежить від зовнішніх
умов, віку і видової специфічності бактерій.
Лаг-фаза скорочується (або може зовсім
відсутніми), якщо активні молоді клітини
перенести в свіжу середу того ж складу і
тієї ж температури.
II - експоненціальна, або лог-фаза.
Розмноження бактерій відбувається з
найбільшою швидкістю. Кількість клітин
збільшується в геометричній прогресії.
Внаслідок інтенсивного розмноження клітин
відбувається споживання поживних
речовин середовища і акумуляція продуктів
обміну. Це сповільнює розмноження
культури і лог-фаза переходить у наступну
фазу.

5. III – фаза уповільнення зростання (швидкість росту знижується)
внаслідок вичерпання субстратів та накопичення продуктів обміну.
IV - стаціонарна фаза настає тоді, коли кількість клітин перестає
збільшуватись (процеси ділення і відмирання клітин в популяції
знаходяться в динамічній рівновазі). У цей період кількість
новоутворених клітин дорівнює числу відмерлих. Стаціонарна фаза
характеризується максимальною величиною біомаси, максимальною
життєдіяльністю мікробної популяції. В цей період синтезуються
вторинні метаболіти.
V - фаза відмирання - число клітин в популяції поступово
знижується.
Періодична культура з додаванням субстрату.
У ферментер періодично додають субстрат, а кінцевий продукт
збирають лише по завершенню культивування. Додавання субстрату
призводить до подовження експоненціальної та стаціонарної фаз, а
також до збільшення біомаси та кількості метаболітів.

6. При періодичному способі культивування ферментер заповнюється
вихідним живильним середовищем з інокулятом мікроорганізмів (Хо +
Sо). Протягом певного періоду часу в апараті відбувається взаємодія
мікроорганізмів і субстрату, зо супроводжується утворенням у
культурі продукту (Х + S + P).
Схема періодичного біореактора

7. Оцінка ефективності біотехнологічних процесів:
Концентрація біомаси, X, це різниця між максімальною та
початковою концентраціями біомаси
X = Xmax – X0;
Швидкість мікробного росту, V, це збільшення концентрації
біомаси у одиниці обєму за одиницю часу:
V = X/ t [кг/(м3 · час)]
Питома швидкість росту (μ), h-1 , мікроорганізмів (збільшення
клітинної біомаси на одиницю клітинної маси за одиницю часу):
 = V/X = X/ X ·t або
 = ln (N – N0)/(t – t0),
де N0 та N є початкова та кінцева концентрація клітин на час t0 та
t, відповілно.

8. Час генерації це час подвоєння кількості біомаси (час, за який із
однієї клітини утворюються дві):
tg = ln 2/µmax
де µ максимальна швидкість росту, h-1.
Економічний коефіціент (YX/S) є співвідношення між кількость
утворенної біомаси та спожитого субстрату.
Для періодичної системи економічний коефіціент
визначається згідно рівненню:
YX/S = (Xt - X0)/(S0 - St),
дe St – це концентрація субстрату в системіна час t,
S0 – це початкова концентрація субстрату.