В периодическом процессе в течение всего времени культивирования поступают только кислород, пеногаситель и для контроля рН соответственно' кислота или основание. Все компоненты вносятся в начале ферментации.
В результате метаболизма клеток состав среды, концентрация биомассы и метаболитов все время изменяются.
В культивировании выделяют четыре главные фазы роста: лаг-фазу, лог-фазу, стационарную фазу и фазу отмирания. Лаг-фаза может отсутствовать, если инокулят находится в лог-фазе.
Если во время лог-фазы культура микроорганизмов растет с постоянной и максимальной скоростью, увеличение клеточной массы можно описать количественно: как время удвоения в единицу времени числа клеток (для дрожжей и бактерий) или биомассы (для нитчатых форм), например, стрептомицетов и грибов. Скорость роста биомассы пропорциональна ее количеству и времени продолжительности этого процесса.
В стационарной фазе количество биомассы может расти или остается постоянным, хотя химический состав клеток, возможно, изменяется. В этой фазе часто образуются продукты, обладающие биотехполо-гической ценностью.
Фаза отмирания характеризуется тем, что какие-либо компоненты среды, и прежде всего энергетические запасы клеток, исчерпываются. В промышленности чаще всего ферментацию заканчивают в конце лог-фазы или перед началом фазы отмирания.
В периодических процессах часто используют подпитку (например, когда нужно избежать катаболитной репрессии в производстве пенициллина). При ферментации с подпиткой критический элемент питания вносят в маленьких дозах в начале процесса и во время продуктивной фазы при получении вторичных продуктов (Л. И. Воробьева, 1989).
Для периодической ферментации характерны недостатки:
1) большие затраты времени, связанные с необходимостью загрузки
и разгрузки биореактора;
2) большие затраты из-за малой продуктивности, которая связана
с низкой концентрацией биокатализатора (микробных клеток), ипги-
бироваиием конечными продуктами и исчерпанием субстрата для
биосинтетических процессов;
3) необходимость отделения микробных клеток в конце этого
процесса;
4) длительность, измеряемая сутками.
Проточный процесс. В настоящее время требуются высокопроизводительные системы наращивания биомассы. Их реализация связана с проведением проточного процесса. Последний должен проте-
кать с большой скоростью и высокой плотностью клеток на протяжении всей ферментации, при этом конечные продукты, оказывающие иигибирующие действия, должны постоянно удаляться из системы. Проточная ферментация по сравнению с периодической имеет следующие преимущества:
1) понижает затраты;
2) позволяет лучше осуществлять контроль процесса;
3) часто приводит к увеличению продуктивности.
Так, например, при производстве этанола проточным способом выход продукта в 3 раза выше, чем при периодическом культивировании дрожжей. Различают два основных типа установок для осуществления проточной ферментации:
1) биореакторы с гомогенным перемешиванием жидкости, пред
ставляющие собой хемостаты или турбидостаты;
2) реактор полного вытеснения. В этом варианте раствор проте
кает по тубулярному реактору без перемешивания, и состав пи
тательных веществ, число клеток, содержание О2 и продуктивность в
разных местах неодинаковы. На входе в реактор вместе с питатель
ной средой постоянно подается инокулят.
Во время проточной ферментации удаление клеток вместе с уходящим из системы раствором должно быть сбалансировано с ростом микроорганизмов.
Концентрация субстрата на входе обозначается Sq. При медленном протоке субстрат (5) почти полностью используется клетками (5 > 0), и их концентрация X = So/Y. Если D увеличивается, то X медленно снижается в начале, а затем, когда D = ^тах, резко падает до 0. Величина 5 постепенно растет (по мере увеличения D) и становится равной 50 при D = jUmax. При х = 0 достигается точка вымывания £)тах:
Л _ А*тах 0.
^тах К + S ^ '
отсюда
-1' (7)
поэтому£>max= fimax.
Если значение Dmaxпревышает jUmax, то стационарное состояние становится невозможным. В случае когда скорость протока немного ниже jDmax, система очень чувствительна к внешним воздействиям.
Для оценки процессов, происходящих во время культивирования микроорганизмов, используется модель Моно. Последняя, к сожалению, не всегда применима в случае проточного способа, например, при очень низких или очень высоких скоростях роста: если источник углерода — лимитирующий фактор, то при низких скоростях прото-
ка добавленные углеводы используются в первую очередь для поддержания клеток, но не для роста, при высоких часть субстрата используется не полностью, и продуктивность понижается.
Если азот (N) является лимитирующим фактором, то при низких скоростях протока образуется резервный материал, например, полисахариды, при этом размеры клеток и биомасса увеличиваются.
Накопление конечных метаболитов тоже не описывается достаточно точно моделью Mono при очень высоких или очень низких скоростях протока. Так, при минимальной скорости роста продукция пенициллина прекращается, и начинают образовываться конидиеспоры.
Скорость синтеза продуктов зависит от скорости протока. Это относится к экскреции первичных и вторичных метаболитов, синтезу отдельных ферментов.
Проточное культивирование используется для получения биомассы дрожжей, глюкозоизомеразы, этанола, очистки сточных вод, производства пива. Многие из таких процессов не нашли применения в промышленности по ряду причин:
1) для данного вида производства необходимо, чтобы система ста
бильно работала по крайней мере 500 — 1 000 ч, а для этого требуют
ся глубокие знания физиологии, зависимости процесса от внешних
условий;
2) в промышленном масштабе особенно трудно поддерживать сте
рильность;
3) совокупность компонентов промышленных питательных сред
не является оптимальной для каждой стадии процесса. Состав мате
риалов нестабилен (например, пептона, крахмала, кукурузного экст
ракта), поэтому максимального выхода продукта достичь не удает
ся;
4) снижается эффективность за счет того, что высокопродуктив
ные штаммы подвержены реверсии и возникающие обратные мутанты
могут перерасти и вытеснить в протоке продуктивные штаммы.