ывных 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 [38] 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 р,; 2) недостаточного перемешивания среды в ферментере, из-за чего устойчивая скорость разбавления

ЧАСТЬ II. РОСТ Таблица 10.3. Сравнение хемостата и турбидостата

Рабочие параметры

Хемостат

Турбидостат

Культивирование при скорости, близкой к максимальной удельной скорости роста

Культивирование при низкой удельной скорости роста

Скорость разбавления равна удельной скорости роста

Концентрация клеток при постоянной удельной скорости роста зависит от

Скорость разбавления

Концентрация субстрата при культивировании в состоянии равновесия

Неустойчивое

Устойчивое стационарное состояние

Только в стационарном состоянии

концентрации субстрата в поступающей питательной среде

Заранее определена

Лимитирующая

Устойчивое, очень близкое к стационарному состоянию

Неустойчивое с пульсацией

Во всех случаях

концентрации субстрата в поступающей питательной среде

Регулируется как функция биомассы

Все субстраты могут присутствовать в избытке

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 [4], некоторые аспекты четвертой причины в работе Уонга и Сински [59]. Другие аспекты физиологической реакции микроорганизмов на поступление питательных веществ и их удаление рассматриваются в разд. 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

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, 46] установил, что зависимость скорости роста от концентрации субстрата можно предсказать с помощью уравнения, весьма напоминающего уравнение Михаэлиса — Ментен:

\i^m^(S/[K3+S])t (10.9)

где р,— удельная скорость роста культуры, которая для бактериальных культур в экспоненциальной фазе равна (In 2)ltd, p,max — максимальная удельная скорость роста в изучаемой среде, 5 — концентрация изучаемого субстрата в среде, Ks — константа насыщения для субстрата, численно равная концентрации лимитирующего вещества при р,= -ур,щах. 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 (Хо = 0) без возврата части потока культуральной жидкости, удельная скорость роста культуры численно равна скорости разбавления [уравнение (10.8)]. 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 — Потребление = Накопление.

Математическое выражение, сходное с уравнением (10.7) для биомассы, выглядит так:

DS»-DS-T^=4. (10Л°)

где D — скорость (или коэффициент) разбавления (D — F/V)y So и 5 — концентрации лимитирующего субстрата соответственно в поступающей среде и в фермецтере, р — удельная скорость роста культуры в ферментере, X— сухая масса клеток в ферментере, Yx/S — коэффициент общего выхода клеток (экономический коэффициент), т. е. отношение образовавшихся клеток к количеству использованного субстрата, и dS/dt — скорость изменения концентрации субстрата в ферментере. Понятие общего выхода включает в себя рост культуры и 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:

D(S,-S)=-^-. (10.11)

Подставив в уравнение (10.11) уравнение (10.8), получим:

X = Yx/,(St-S). (10.12)

Отметим, что уравнение (10.12) было представлено выше без вывода для использования его в периодических системах [уравнение (10.6)]. Допускается, что общий выход биомассы зависит только от лимитирующего питательного компонента, но не от удельной скорости роста культуры. Исключения из этого допущения обсуждаются в разд. 10.5. Уравнения (10.8) и (10.12) пригодны для описания равновесия при непрерывном культивировании. Прежде чем с помощью концентрации биомассы и субстратов, а также удельной скорости роста определить условия культивирования, полезно рассмотреть удельную скорость роста как функцию концентрации субстрата. Многим ситуациям удовлетворяет уравнение (10.5). Подставив в уравнение (10.5) уравнение (10.8), получим:

где Dc — критическая скорость разбавления (коэффициент разбавления), соответствующая максимальной удельной скорости роста (jxmax). Работа хемостата при скоростях разбавления выше Dc приводит к полному вымыванию культуры.

После преобразования уравнение (10.13) выглядит следующим образом:

Подставив уравнение (10.14) в уравнение (10.12), получим:

x/s [ 0 Dt — D

). (10.15)

Уравнение (10.15) связывает концентрацию биомассы с коэффициентом разбавления в условиях равновесия. На рис. 10.3 представлена обобщенная реакция системы на скорость разбавления, предсказываемая уравнениями (10.14) и (10.15).

Модель Моно [уравнение (Ю.5)] — одна из нескольких моделей, описывающих зависимость скорости роста от концентрации субстрата. Допущения, принимаемые в ней, упрощают ситуацию, однако они приемлемы далеко не для всех систем. Фундаментальная теория проточного культивирования детально обсуждается в работах [2, 32, 56].

Оборудование

Большинство из описанного выше оборудования для периодического культивирования микроорганизмов с перемешиванием среды можно использовать непосредственно для непрерывного культивирования. Иногда для непрерывного удаления культуральной среды необходимо модифицировать ферментер. Так, для непрерывного культивирования требуется система двойного насоса (для добавления свежей среды и для удаления культуральной жидкости), используемая вместе с регулятором уровня среды; при этом культуральная жидкость удаляется через отверстие для отбора проб. Такие насосы и регуляторы уровня среды поставляют многие фирмы, производящие ферментеры (New Brunswick Scientific Co., The VirTis Co., and Chemapec Inc.).

Двойной насос и система регулирования уровня среды, используемые для внесения среды и удаления культуры, обладают рядом преимуществ при проточном

культивировании в ферментерах больших емкостей, однако в малых ферментерах удаление переливающейся через край культуральной среды происходит просто под действием силы тяжести. Специальные культиваторы с боковым отводом для удаления жидкости можно изготовить из стандартных стеклянных или стальных сосудов. Особое внимание следует уделять поверхностному перемешиванию на уровне отверстия для отбора проб. Хорошее поверхностное перемешивание получают, если трубку для отбора жидкости [21] или турбинную лопасть помещают на уровне отверстия для отбора проб под углом 5° к поверхно сти. Стеклянные сосуды, из которых жидкость удаляется под действием силы тяжести, производит фирма Bellco Glass, Inc. (номер каталога 1970). Эти сосуды подходят для культивирования литровых объемов сред с небольшой плотностью бактерий. Компании, перечисленные в табл. 10.2, производят более универсальные сосуды для непрерывного культивирования, в которых обеспечивается перемешивание и аэрация даже очень плотных бактериальных культур. Однако эти сосуды необходимо дополнительно оборудовать для удаления культуральной жидкости.

Определение скорости потока среды

Тщательное регулирование скорости поступления среды в ферментер и выхода из него при постоянстве объе

ю. ЖИДКАЯ КУЛЬТУРА

ма абсолютно необходимо для установления равновесных условий роста культуры. При проточном культивировании в хемостате скорость поступления свежей среды в ферментер определяет плотность культуры и удельную скорость ее роста. Скорость поступления среды в процессе ферментации следует тщательно отрегулировать и периодически проверять. На рис. 10.4 изображено простое устройство для измерения скорости поступления среды. Прокалиброванную пипетку (или бюретку) заполняют измеряемым объемом жидкости из резервуара, закрутив зажим Б\ затем до начала измерений зажим А также закручивают. Для определения скорости поступления жидкости зажим А откручивают и одновременно зажим В закручивают. Измеряют время, необходимое для удаления измеренного объема жидкости из пипетки. Для возобновления нормальной работы системы откручивают зажим В и закручивают зажим А. Скорость разбавления (или удельная скорость роста в одном культу-ральном сосуде без рециклизации среды) можно высчитать, разделив скорость поступления среды на объем жидкости в ферментере.

Предотвращение заражения свежей среды в резервуаре (сборнике)

В результате аэрации и перемешивания проточной культуры образуется аэрозоль, содержащий большое число культивируемых микроорганизмов. Поэтому соединительный канал, через который поступает в ферментер свежая среда, может подвергнуться заражению. Отсюда возникает необходимость оснащени