КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАСШТАБАХ СПОСОБЫ РЕЖИМЫ СТАДИИ

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАСШТАБАХ СПОСОБЫ РЕЖИМЫ СТАДИИ ПРОЦЕССА

Типы процессов микробиологического синтеза По целевому продукту: 1. Биомасса микроорганизмов. 2. Продукт метаболизма. 3. Продукты утилизации отходов. По фазовому состоянию субстрата: 1. Твердофазная ферментация. 2. Глубинное культивирование. 3. Газофазная ферментация (во взвешенном слое).

По биохимическому механизму: 1. Фототрофные микроорганизмы. 2. Хемотрофные микроорганизмы, в т. ч. - аэробные, - анаэробные. По уровню асептики: 1. Асептические. 2. Не асептические. По числу видов микроорганизмов: 1. Монокультуры. 2. Ассоциации (смешанные культуры).

Кинетика микробного роста ДЕЛЕНИЕ И РОСТ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ Δt Период удвоения N(t+Δt) = N(t) ∙ 2 d. N(t)/dt ≈ ΔN/Δt = N(t)/Δt d. N(t)/N(t) = dt/Δt dln(N) = dt/Δt ln[N(t)]- ln[N(0)] = t/Δt – 0/Δt = t/Δt ln[N/No] = μ∙t N = No ∙ exp(μ∙t) μ = d. N(t)/[N(t)∙dt]

Суточный рост клеток в условиях неограниченной среды

Удельная скорость роста μ = 0, 3 1/час x 0 =1 г/л

Факторы, ограничивающие рост • Отсутствие начальной адаптации к субстрату. • Конечное количество питательных веществ. • Образование токсичных продуктов жизнедеятельности. • Неблагоприятные физические факторы среды.

Рост клеток в условиях действия ограничивающих факторов 1. Лаг-фаза 2. Фаза ускорения роста 1 2 3 4 5 6 3. Экспоненциальная фаза (логфаза) 4. Фаза замедления роста 5. Стационарная фаза 6. Фаза отмирания культуры клеток

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Аппаратура: 1. Пробирка со скошенной желеобразной средой (культивирование на «косяках» ). 2. Чашка Петри с желеобразной средой. 3. Колба на качалке с жидкой средой (0, 7 – 1 л). 4. Инокулятор (с механическим или пневматическим перемешиванием), объемом 1 – 20 л. 5. Генератор биомассы (посевной аппарат) с механическим или пневматическим перемешиванием объемом 1 – 16 куб. м. Фазы процесса: лаг-фаза, фаза ускорения роста, экспоненциальная фаза (лог-фаза).

Контролируемые параметры и характеристики процесса выращивания микроорганизмов - Интенсивность перемешивания, - Концентрация биомассы, - р. Н культуральной жидкости, - Температура, - Скорость дыхания (брожения). - Доля жизнеспособных клеток.

Интенсивность перемешивания Параметры: 1. Скорость вращения мешалки, n, гц, об/мин. 2. Удельная мощность, w, вт/л, квт/куб. м. 3. Удельная аэрация, v = V/VL, л/л∙мин, куб. м/куб. м∙мин.

Концентрация биомассы x – г. АСБ/л, кг. АСБ/куб. м. Определение: по высушиванию пробы, по оптической плотности КЖ. Абсолютная скорость роста: rx = [xi+1 -xi]/Δt Удельная скорость роста: xi+1 -xi μ = rx / = 2∙rx /(xi+1 -xi) 2

Кислотность культуральной жидкости р. Н – показатель концентрации водородных ионов (показатель степени с обратным знаком) Измерение: - Титрованием пробы по цветному индикатору раствором с известным р. Н. - Измерением с помощью потенциометрического электрода.

Зависимость удельной скорости роста дрожжей от р. Н среды

Зависимость удельной скорости роста дрожжей от температуры

Скорость дыхания Определяется для случаев культивирования аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов. Зависит от химической природы субстрата и потребности клеток в энергии.

МАКСИМАЛЬНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В КИСЛОРОДЕ при использовании различных субстратов Глюкоза С 6 H 12 O 6 (CH 2 O) Yo/x = 0, 8 г О 2/г АСБ 2. Пропионовая кислота C 3 H 6 O 2 (CH 2 O 0, 67) Yo/x = 2, 0 г О 2/г АСБ 3. Этан C 2 H 6 (CH 3) Yo/x = 3, 0 г О 2/г АСБ Состав биомассы: С 6 H 11 O 3 N 0, 7

Рост спиртовых дрожжей в аэробных (с подпиткой субстратом) и анаэробных условиях

Транспорт кислорода 1. Кислород является слабо растворимым газом. Равновесная концентрация его с воздухом при нормальном давлении и температуре 30 ˚С для дистиллированной воды составляет 7, 6 мг/л (при 25 ˚С - 8, 1 мг/л). 2. Для культуральных жидкостей расворимость снижается. Равновесная с воздухом концентрация составляет в среднем 6, 3 мг/л (от 4 до 7 мг/л).

Транспорт кислорода ГАЗ 1 3 4 2 5 6 7 1 – диффузия в газовой фазе 2 – массоперенос через границу фаз «газ-жидкость» 3 – диффузия в пограничном слое жидкости 4 – конвективный перенос в перемешиваемом слое жидкости 5 – диффузия в пограничном слое 6 - диффузия в межклеточном пространстве 7 – перенос через клеточную стенку

Схема аэрации и измерения параметров потоков Отработанный газ Vвых, Твых, Ратм О 2 р. О 2 Газовое питание Vвх, Твх, Рвх - стабилизированы

Перенос кислорода через межфазную поверхность Направление транспорта кислорода Насыщение Поверхность раздела фаз РО 2 Жидкая пленка (эффективная толщина) Воздух (газовая фаза) РО 2* Насыщение СО 2* СО 2 Газовая пленка (эффективная толщина) Водная среда (жидкая фаза)

Поскольку кислород на поверхности раздела фаз не накапливается, удельная скорость переноса кислорода на единицу объема жидкости в газовой и жидкой пленках будет одинакова и равна: где KG и KL - коэффициенты массопереноса кислорода в газе и жидкости, а – удельная поверхность раздела фаз, приходящаяся на единицу объема жидкости.

Динамика растворенного кислорода в биореакторных процессах

ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ВОДА СУБСТРАТ МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ КИСЛОРОД X

Классификация процессов культивирования микроорганизмов

Классификация процессов культивирования микроорганизмов 5. Периодический долив среды и отбор. 6. Непрерывный долив среды и периодический отбор.

Классификация процессов культивирования микроорганизмов

Схема производства продукции микробиологического синтеза Инокулят Посевная культура Возможно выращивание посевной культуры в несколько стадий Продукция биосинтеза 2 стадии: 1) Наращивание биомассы до рабочей концентрации, 2) Биосинтез продукта

СТЕНД БИОРЕАКТОРА КОЛОННОГО ТИПА С МЕМБРАННЫМ УЗЛОМ СТЕРИЛИЗАЦИИ КИСЛОРОДА СИСТЕМА ОТБОРА ГАЗОВОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗЫ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЦИКЛОНЕ ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЕ НАСОСЫ ПОДАЧИ ЖИДКИХ СРЕД КОРПУС БИОРЕАКТОРА

Устройство и внешний вид секционированного биореактора интенсивного действия (генератора посевной биомассы)

Схема обвязки секционированного аппарата чистой культуры Ф 2 R 1 Блок емкостей для С 1 – С 5 питательных сред и титрующих агентов Отраб. вода Н 1 – Н 5 Воздух отраб. R 2 Ф 3 Охл. вода Блок дозаторов Ф 1 Газоаналитическая станция, О 2, CO 2 Посевной материал Возврат потока Отбор биомассы Рециркуляционный контур Биореактор В атмо сферу Забор воздуха Газ. сч. Охл. вода, пар Ф 4 Отраб. вода, конденсат Отбор фильтрата Н 6 Очищенный воздух Сброс конденсата К 1 Стерильный воздух Пар Отбор КЖ (проб) Обозначения: К – компрессор, Н – насос-дозатор, Ф – фильтр, С – сборник, R - редуктор

Как выбрать объем посевного биореактора? сегодня оптимум