Промышленные способы стерилизации питательных сред

Промышленные способы стерилизации питательных сред.
В
БТ
широко
питательных
сред
применяются
или
термические
отдельных
их
методы
компонентов:
обеззараживания
автоклавирование,
стерилизация, кипячение, пастеризация и др. Споры мко имеют терморезидентонсть в 3*106 раз большую по сравнению с вегетативными формами,
поэтому промышленные ре-жимы стерилизации ориентированны именно на их
мах уничтожение. Отдельные компоненты питатель-ных сред по-разному
реагируют
на
термическое
воздействие.
Олиго-
и
полисахариды
при
определенных условиях подвержены частичному гидролизу. Степень гидролиза
зависит
от
источника
углерода,
температуры
и
продолжительности
термического воздействия, рН среды. Нагревание моно- и дисахаридов при
температуре выше 100оС может приводить к их карамелизации – конденсации с
отщеплением 2-х и более молекул Н2О с образование окрашенных продуктов;
наиболее подвержена карамелизации фруктоза. Лактоза и глюкоза при
нагревании в щелочной среде подвержены изомеризации в лактозу и фруктозу
соответственно. Сахароза в слабокислой среде подвергается инверсии с
образованием глюкозы и фруктозы. Редуцирующие моно- и олигосахариды при
нагревании
в
щелочной
и
кислой
среде
подвержены
окислению
до
изосахариновых кислот и далее до оксиметилфурфурола. Особое внимание
привлекают
реакции
взаимодействие
меланоидинообразования,
восстанавливающих
сахаров
под
с
которым
понимают
аминосодержащими
соединениями (реакция Майера).
Во избежание нежелательных деструктивных изменений компонентов
питательных сред приме-няют высокотемпературные кратковременные режимы или раздельную стерилизацию компонентов; ре-жимы подбирают используя
уравнение Дальберга: ln z = α-βt, где α и β коэффициенты, индивидуальные для
каждого мко.
Стерилизацию жидких питательных сред осущетвляют в периодическом и
непрерывном режиме. Стерилизацию в периодическом режиме осуществляют в
емкостных аппаратах по схеме: нагрев до 80-90оС в потоке – непосредственный
нагрев до температуры стерилизации паром в емкостном аппарате при
избыточном давлении 0,05-0,1 Мпа, выдерживание при 110-120оС в теч. 1-1,5 ч
и охлаждении среды.
Недостатки:
значительные
энергозатраты,
длительность,
деградация
термолобильных компонентов.
Непрерывную стерилизацию осуществляют по схеме: нагрев в потоке до 130140оС в трубчатых, пластинчатых, змеевиковых, спиральных теплообменниках ,
аппаратах «труба в трубе»; выдерживание 1-10 мин при температуре
стерилизании и охлажд.
Перспективным является использование пластинчатых стерилизационноохладительных установок. Для термолобильных питательных сред могут быть
использованы мембранные методы (стерилизующая фильтрация)
Стерилизацию твердых и сыпучих питательных сред проводят в емкостных
аппаратах
путем
непос-редственного
нагрева
паром
до
110-120оС
(предварительно увлажнив среду) с выдержкой 1,5-2 часа. Небольшие
количества твердых субстратов стерилизуют в кюветах автоклавированием при
120-150оС в течении 30-50 мин.
Перспективные методы: нагрев твердых сред инфракрасными лучами,
токами высокой частоты, радиационная обработка в ионизированном потоке
электронов (холодная стерилизация).
В некоторых случаях допускается использование пастеризации (уничтожение
вегетативных форм) сырья в питательных средах. В это случае следует
учитывать режимы инактивации ферментов: липаз-70оС, 20с; фосфаз- 700С, 30с;
редуктаз- 75оС, 5с; пероксидаз- 65оС, 5с.
Способы классификации процессов культивирования мко.
Культивирование продуцентов в промышленных условиях принято называть
ферментацией. В зависимости от классификационного признака различают
следующие типы ферментационных процессов:
 по отношению мко продуцентов к кислороду: аэробные и анаэробные;
 по
локализации
продуцентов
в
питательной
среде:
глубинные
и
поверхностные;
 по условиям проведения пр-са: периодич., полу-непрер. (отъемно-доливные,
с подпиткой); непрерыв.
В основу количественного описания процессов глубинной ферментации
положены кинетические закономерности, характеризующие влияние субстрата
и продуктов на удельную скорость роста мко и накопления метаболитов. При
этом кинетика процессов периодического и непрерывного культивирования
имеет существенные различия.
Периодический процесс относится к закрытым системам. Все компоненты
среды вносятся в начале ферментации, продукты реакции в процессе
культивирования не отводятся. Состав среды, концентрация биомассы и
метаболитов постоянно изменяются. В процессе культивирования популяция
мко проходит все стадии развития.
Периодическая
ферментация
позволяет
поддерживать
постоянную
температуру, равномерное распределение растворенных веществ по всему
объему биореактора. В то же время периодические процессы связаны с рядом
проблем:
 большие затраты времени в связи с необходимостью загрузки и разгрузки
биореактора;
 низкая продуктивность, связанная с малой концентрацией клеток в среде,
ингибированием конечным продуктом и исчерпанием субстрата;
 длительность процесса ферментации.
Периодический процесс с подпиткой (полунепрерывный) используется для
снижения эффекта ингибирования продуктами метаболизма и недостатком
субстрата.
Процесс
осуществляют
отъемно-доливным
способом:
при
достижении определенной концентрации клеток, метаболитов или по истечении
определенного времени определенную часть культуральной жидкости сливают
и вносят такой же объем свежей среды.
Непрерывные процессы. Различают два типа непрерывной (проточной)
ферментации:
1.
Биореакторы полного смешения – жидкая фаза в них интенсивно
перемешивается,
постоянно
подается
питательная
среда
и
отводится
культуральная жидкость. Данные реакторы могут работать по принципу
хемостата или турбидостата. В первом случае в системе поддерживается
постоянная концентрация одного из компонентов среды, причем постоянный
подвод клеток не обязателен, поскольку в начальном периоде проводят
периодическое культивирование, а затем включают подачу жидкости с клетками
или без них. Во втором случае в биореакторе поддерживают постоянную
концентрацию клеток, регулируя скорость протока среды. При достижении
определенной максимальной концентрации клеток подача среды может быть
автоматически
прекращена
и
процесс
протекает
некоторое
время
в
периодических условиях.
2.
Биореакторы полного вытеснения (тубулярные). Среда протекает по
турбулярному
реактору
без
перемешивания,
состав
и
концентрация
питательных веществ, продуктивность неодинаково распределены по объему
реактора; вместе со средой в реактор подаются клетки.
Целью количественного описания процессов культивирования в
биореакторах являются расчет и оптимизация производительности аппарата,
определение рабочего объема.