Лекция 22 Тема 11 -1 Культивирование Общие

Лекция № 22 Тема: 11 -1 «Культивирование. Общие понятия» Учебные вопросы: 1. Классификация процессов. 2. Аппаратурное оснащение стадии.

Культивирование – это создание оптимальных условий для обеспечения процессов жизнедеятельности и размножения микроорганизмов в искусственных системах. При культивировании происходит рост культуры - физиологический процесс, в результате которого увеличивается биомасса.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ 1. 1. Способы культивирования микроорганизмов Способы культивирования Поверхностный Глубинный На поверхности твердой или жидкой ПС Во всем объеме жидкой ПС Непрерывный Агаризованные среды, сыпучие субстраты Периодический

1. 2. Периодическое культивирование микроорганизмов. Кривая роста микроорганизмов хi — количество биомассы (число клеток в 1 мл); τ — время, ч; I — лаг-фаза; II — фаза ускорения роста; III — экспоненциальная фаза; IV — фаза замедленного роста; V — стационарная фаза; VI — фаза отмирания.

1. 3. Непрерывное культивирование микроорганизмов. Условия непрерывного культивирования V - объем культиватора, (л); F - скорость протока, (л/ч); D - скорость разбавления, (ч-1). D = F/V Удельная скорость роста μ = dx/dτ • 1/x Мгновенный прирост микроорганизмов μ • x - Dx = 0 или (μ — D)x =0 dx/dτ =μ • x Основное условие при непрерывном культивировании μ=D

Кривая, характеризующая колебания концентрации клеток при переходе от периодического процесса к непрерывному I — стадия активации; II — стадия стабилизации.

1. 4. Саморегулирующая способность микроорганизмов в процессах непрерывного культивирования Если D<μ D>μ μ—D Положительная величина Х μ—D Отрицательная величина Х ПРОДУКТИВНОСТЬ П=Dх

1. 5. Классификация систем непрерывного культивирования Системы непрерывного культивирования Открытые Замкнутые Гомогенно- Гетерогеннонепрерывные Одноступенчатые С рециркуляцией клеток С механическим отделением Противоточные С ростом клеток в промежуточной фазе Многоступенчатые Трубчатые С простой цепью питания Со сложной цепью питания

1. 5. 1. Открытые одноступенчатые гомогенно -непрерывные системы Стерильный воздух Питательная среда Культуральная жидкость Открытая одноступенчатая гомогенно-непрерывная система (Ферментатор)

Принципиальная схема работы хемостата 1 Воздух Лимитирующий компонент Стерильный воздух Питательная среда Культуральная жидкость 2 1 — регулятор подачи лимитирующего компонента; 2 — датчик концентрации лимитирующего компонента.

Принципиальная схема работы турбидостата Стерильный воздух Питательная среда 4 3 2 Воздух Культуральная жидкость 1 - источник света; 2 - фотоэлемент; 3 - усилитель сигнала фотоэлемента; 4 - регулятор подачи питательной среды; 5 - насос для циркуляции культуральной жидкости. 1 5

1. 5. 2. Открытые многоступенчатые гомогенно-непрерывные системы 1— с простой цепью питания; 2, 3 — со сложной цепью питания; 4 — с частичным возвратом отсепарированных клеток (рециркуляцией).

1. 5. 3. Открытые гетерогеннонепрерывные системы Схема гетерогенно-непрерывной системы с трубчатым реактором: 1 — хемостат; 2 — трубчатый реактор; 3 — сепаратор для отделения биомассы.

Схема гетерогенно-непрерывной противоточной системы 1 — хемостат; 2 — реактор; 3 — сепаратор для отделения биомассы.

1. 5. 4. Замкнутые системы с рециркуляцией клеток 1 — ферментатор; 2 — аппарат для отделения клеток.

1. 5. 5. Замкнутые системы с механическим отделением клеток 1 — ферментатор; 2 — сосуд с полупроницаемыми стенками.

1. 5. 6. Замкнутые системы с выращиванием клеток в промежуточной фазе а — жидкость — газ (культура на жидкости в виде пленки); б — жидкость — твердое тело (микроорганизмы закреплены на твердом носителе).

2. АППАРАТУРНОЕ ОСНАЩЕНИЕ СТАДИИ 2. 1. Технологические особенности процесса ферментации Микробиологические процессы: Культивирование: 1) аэробное и анаэробное; 2) поверхностное и глубинное; 3) периодическое и непрерывное.

2. 2. Конструкции ферментаторов Для глубинного культивирования аэробных микроорганизмов: 1 — вход воздуха; 2 — выход воздуха; 3 — барботер; 4 — отбойник; 5 — мешалка.

2. 3. Классификация ферментаторов Ферментаторы периодического действия глубинного культивирования Ферментаторы с подводом энергии к жидкой фазе С циркуляционным перемешиванием С самовсасывающей турбиной С эжекционной системой, струйная Ферментаторы с подводом энергии к газовой фазе Ферментаторы с комбинированным подводом энергии Барботажного типа С механическим перемешиванием и барботажем Барботажноэрлифтные Барботажные с циркуляционным перемешиванием Эрлифтные С роторным перемещиванием и аэрацией

2. 2. 1. Ферментаторы с подводом энергии к газовой фазе Основные виды барботеров

Ферментатор с эрлифтным аэратором системы Лефрансуа 1—корпус аппарата; 2 — воздуховод; 3 — диффузор; 4 — кювета.

Газлифтный ферментатор 1 — реактор кожухотрубный; 2 — сепаратор; 3 — механический пеногаситель; 4 — циркуляционная труба; 5 — воздушная камера.

Ферментатор с форсуночным воздухораспределением 1—корпус аппарата; 2— диффузор; 3 — форсунка.

Колонный ферментатор

Ферментатор с добавками гранулята

2. 2. 2. Ферментаторы с подводом энергии к жидкой фазе Ферментатор с самовсасывающей системой аэрации 1 — полые лопасти аэратор 2 — диффузор; 3 — корпус аппарата; 4 — воздуховод; 5 — труба подачи субстрата; 6 — привод мешалки.

Ферментатор с турбоэжекторными перемешивающими устройствами 1—эжекционное устройство; 2 — воздуховод; 3 — пеногаситель; 4 —сепаратор; 5 — привод турбоэжектора; 6 — теплообменник; 7 — диффузор.

Струйный ферментатор 1 — циркуляционный насос; 2 — газовводная труба; 3 — сливная груба; 4 — патрубок сброса воздуха; 5 — секция; 6 — корпус колонны.

2. 2. 3. Ферментаторы с комбинированным подводом энергии Ферментатор с механическим перемешиванием 1 — барботер; 2 — отражательная перегородка; 3 — мешалка; 4 — рубашка; 5 — пеногаситель.

Ферментатор со струящейся пленкой

2. 3. Аэрация и перемешивание в процессах биосинтеза Аэрация - это введение воздуха в питательную среду. Перемешивание — турбулизация среды, благодаря которой в жидкости создаются локальные турбулентные вихри для интенсификации тепло- и массообменных процессов. Сульфитный метод Na 2 SO 3 + I 2 + Н 2 О → Na 2 SO 4 + 2 HI 2 Na 2 SO 3 + О 2 → 2 Na 2 SO 4

2. 4. Пенообразование и пеногашение Факторы влияющие на вспениваемость: Ø температура; Ø длительность стерилизации; Ø количество вносимого посевного материала. Способы регулирования уровня пены: Øхимические; Øмеханические; Øфизические; Øкомбинированные.

2. 4. 1. Химическое пеногашение Химические средства Природные Растительные масла: • подсолнечное; • соевое; • кукурузное и т. д. Животные жиры: • кашалотовый жир; • костный жир; • технический жир. Синтетические • кремнийорганические полимеры (силоксаны); • четырехзамещенные аммониевые основания; • алкиламиносульфонаты; • сложные эфиры, спирты.

2. 4. 2. Механическое пеногашение Типы механических пеногасителей активные жидкостноструйные пассивные дисковые циклоны роторные центробежные тарельчатые

Двухступенчатый разделительный насос HP 1 — корпус насоса; 2 — отражательное кольцо; 3 — рабочее колесо; 4 — малые лопатки; 5 — диафрагма; 6 — рабочее колесо второй ступени; 7 — крышка корпуса насоса.

Схема комбинированного пеногашения 1 — корпус ферментатора; 2— циклонное устройство; 3— вставной цилиндр; 4— механический ротор.

2. 4. 3. Физические методы пеногашения Основанные на использовании: ультразвука температурного перепада электрического разряда и т. п.