Параметры кривой роста

Параметры кривой роста
Под урожаем клеток (Х) понимают разность между максимальной и
исходной массой бактерий: X = Xmaх – Хо.
Особенно важно отношение урожая клеток к количеству потребленного
субстрата (X/S). Если обе эти величины выражают в весовых единицах, то
отношение Х/S, называемое экономическим коэффициентом, обозначают
через Y :
Y = dХ/dS,
где dX – увеличение биомассы, соответствующее потреблению субстрата в
количестве dS. Важность экономического коэффициента состоит в том, что
он выражает количественные потребности организма в пище.
Если же урожай (в граммах) относят к числу молей потребленного
субстрата, то экономический коэффициент, называемый в этом случае
молярным экономическим коэффициентом, обозначают через Уm.
Молярный экономический коэффициент Уm позволяет связать урожай
клеток с полученным из какого-либо источника энергии (т. е. какого-либо
субстрата) количеством АТФ (макроэргические эквиваленты). УАТФ энергетический коэффициент, выражаемый в граммах клеточной массы на
1 моль АТФ. Этот коэффициент можно вычислить, если известен путь
расщепления данного субстрата и выход АТФ в результате этого
расщепления.
Скорость потребления субстрата культурой в данный момент времени
выражается соотношением:
dS/dT = qX,
где X – биомасса, а коэффициент q известен как метаболический
коэффициент или удельная скорость метаболизма. Метаболический
коэффициент можно выразить также через экономический коэффициент и
удельную скорость роста и представить еще в таком виде:
q = /Y.
Если удовлетворены все необходимые требования, то в течение
единицы времени dt увеличение биомассы dX должно быть
пропорционально количеству биомассы X и интервалу времени, т. е.:
dX = Х.dt,
откуда
dХ/dt = Х
или
 = dХ/dt . 1/X
Дифференциальное отношение dХ/dt выражает скорость роста популяции
клеток. Параметр , обозначающий скорость роста единицы биомассы (I/Х)
(dХ/dt), называется удельной скоростью роста и измеряется в единицах,
обратных времени (1/t).
Если  постоянна, то интегрирование уравнения дает:
LnХ = LnХо + t,
где Хo – биомасса в начальный момент времени t = 0.
Для того, чтобы рассчитать время генерации клеток можно
использовать уравнение, учитывая геометрическую прогрессию роста:
N = No . 2n , откуда lgN = lgNo + n lg2,
где N число клеток.
Отсюда число клеточных делений (n) составит:
n = lgN-lgNo/lg2
Константа скорости деления или число клеточных делений в единицу
времени t-to можно вычислить по формуле: ν=n/t,
а время одной генерации (g) по формуле:
g=t/n=1/ν
Рис. Основные фазы
микроорганизмов.
кривой
роста
периодической
культуры
При определении чистоты культуры учитывают морфологию колоний,
формирующихся на плотных питательных средах, оценивая следующие
признаки:
• профиль – плоский, выпуклый, кратерообразный, конусовидный и т.д.;
• форму – округлая, амебовидная, неправильная, ризоидная и т.д.;
• размер (диаметр) – измеряют в миллиметрах; если размеры колонии не
превышают 1 мм, то их называют точечными;
• поверхность – гладкая, шероховатая, бороздчатая, складчатая,
морщинистая, с концентрическими кругами или радиально исчерченная;
• блеск и прозрачность – колония блестящая, матовая, тусклая, мучнистая,
прозрачная;
• цвет – бесцветная (грязно-белые колонии относят к бесцветным) или
пигментированная – белая, желтая, золотистая, оранжевая, сиреневая,
красная, черная и т.д.; особо отмечают выделение в субстрат пигмента; при
описании колоний актиномицетов отмечают пигментацию воздушного и
субстратного мицелия, а также выделение пигментов в среду;
• край – ровный, волнистый, зубчатый, лопастной, ризоидный, бахромчатый
и т.д.;
• структуру – однородная, мелко- или крупнозернистая, струйчатая и т.д.;
край и структуру колонии определяют с помощью лупы или при малом
увеличении микроскопа.
• консистенцию определяют, прикасаясь к поверхности колонии петлей.
Колония может легко сниматься с агара, быть плотной, мягкой или
врастающей в агар, маслянистой, слизистой (прилипает к петле), вязкой,
пленчатой (снимается целиком), быть хрупкой (легко ломается при
прикосновении петлей).
Размеры и многие другие особенности колонии могут изменяться с
возрастом и зависят от состава среды. Поэтому при их описании указывают
возраст культуры, состав среды и температуру культивирования.
Рис. Форма колонии
1 – круглая; 2 – круглая с фестончатым краем; 3 – круглая с
валиком по краю; 4, 5 – ризоидные; 6 – с ризоидным краем;
7 – амебовидная; 8 – нитевидная; 9 – складчатая;
10 – неправильная; 11 – концентрическая; 12– сложная
Рис. Профиль колонии
1 – изогнутый; 2 – кратерообразный; 3 – бугристый; 4 –
врастающий в субстрат; 5 – плоский; 6 – выпуклый;
7 – каплевидный; 8 – конусовидный
Рис. Край колонии
1 – гладкий; 2 – волнистый; 3 – зубчатый; 4 – лопастной;
5 – неправильный; 6 – реснитчатый; 7 – нитчатый;
8 – ворсинчатый; 9 – ветвистый
Рис. Структура колонии
1 – однородная; 2 – мелкозернистая; 3 – крупнозернистая;
4 – струйчатая; 5 – волокнистая
В настоящее время разработаны различные варианты непрерывного
культивирования микроорганизмов, работающие по принципу турбидостата
– pH-стат, оксистат, СО2-стат, теплостат, респиростат, вискозистат и т. д.,
названия которых соответствуют задаваемому параметру. Любой параметр,
который изменяется в периодической культуре и на который существует
датчик, может быть использован для управления ростом по типу
турбидостата.
Респиростат. Способ управления основан на использовании в качестве
датчиков газоанализаторов кислорода или углекислого газа, измеряющих
интенствность дыхания культуры. Эта величина пропорциональна росту,
образованию продукта и поддержанию жизнедеятельности клеток, т.е.
пропорциональна
концентрации
биомассы.
Поэтому,
регулируя
интенсивность дыхания можно регулировать и концентрацию биомассы, а
следовательно, скорость подачи субстрата (D). В респиростате задается
определенная величина интенсивности дыхания, близкая к максимальной. В
зависимости от этого при снижении интенсивности дыхания величину
скорости разбавления повышают, и наоборот. Еще лучше не поддерживать
дыхание на постоянном уровне, а все время искать скорость разбавления,
обеспечивающую его максимум. Этот алгоритм управления легко
реализуется с помощью современных систем управления процессами
культивирования.
Оксистат. В этом способе управления подачу питательной среды в аппарат
(скорость разбавления) осуществляют таким образом, чтобы поддерживать
постоянное, относительно малое значение концентрации растворенного
кислорода в среде, поскольку при минимальной концентрации растворенного
кислорода достигается максимальная величина его потребления клетками
микроорганизмов. Поддержанием потребления кислорода на максимально
возможном уровне обеспечивается максимизация производительности
процесса. Однако не следует забывать, что, как всякий субстрат,
растворенный кислород влияет на скорость роста биомассы и через нее на
скорость потребления кислорода (интенсивность дыхания). Форма этой
зависимости такова, что при возрастании концентрации кислорода скорость
роста биомассы сначала увеличивается очень быстро, но выше некоторой
величины, обозначаемой как «критическая» концентрация растворенного
кислорода, скорость роста и скорость потребления кислорода уже
практически не зависят от его концентрации. Поэтому в таком способе
управления процессом культивирования концентрацию растворенного
кислорода поддерживают на уровне, близком к «критической» концентрации,
за счет изменения скорости подачи свежей среды в аппарат (а не изменяя
режимные параметры аэрации и перемешивания).
рН-стат. Активный рост микроорганизмов часто сопровождается
закислением культуральной среды, в то время как замедление роста при
недостатке субстрата вызывает защелачивание. Следовательно, величина рН
может использоваться как параметр, в зависимости от которого в аппарат
подается питательная среда. Скорость подачи регулируется таким образом,
чтобы величина рН поддерживалась на некотором постоянном уровне. При
этом исключают регулирование рН подачей в аппарат щелочи или кислоты.
Нутристат. В этом способе управления подача питательной среды в аппарат
осуществляется так, чтобы поддерживать заданное значение концентрации
субстрата на постоянном уровне, для обеспечения максимальной скорости
роста. (В хемостате специально следить за концентрацией субстрата не
нужно, она устанавливается в зависимости от скорости разбавления). Этот
способ имеет неудобство: необходимо непрерывно измерять концентрацию
субстрата в аппарате, что не всегда просто.
Теплостат. В обычных условиях культивирования температуру
поддерживают на уровне оптимальной. Обычно это обеспечивается путем
регулирования подачи охлажденной воды в рубашку или змеевик аппарата.
Когда при увеличении теплового потока повышается температура, регулятор
увеличивает скорость подачи охлаждающей воды. При этом также
увеличивается и скорость теплоотвода, что позволяет сохранять равновесие.
Этот способ регулирования используют наиболее часто. В теплостате
температура устанавливается самопроизвольно на уровне, при котором
скорость биологического тепловыделения равна скорости отвода тепла в
окружающую среду. Данный уровень обычно выше оптимального, что может
замедлять процесс ферментации, хотя и обеспечивает его постоянную
скорость. Способ управления широкого применения не имеет. Может быть
использован, если по определенным причинам некий ценный целевой
продукт выделяется при повышенных температурах (хотя проще
регулировать температуру на более высоком уровне обычным способом).