Параметры кривой роста микроорганизмов и получение целевого продукта

Определение фаз и стадий развития микробной популяции в питательной среде в условиях периодичной культуры имеет не только теоретическое но и большое практическое значение. Так, определяя режимы хранения микробов, рекомендуется использовать культуры в конце фазы логарифмического роста, поскольку они обладают наибольшей жизнеспособностью. Для изготовления вакцин, диагностикумов и любых антигенов используют микробные культуры на определенной фазе кривой роста.

Изучение процесса развития микробной популяции в периодической системе культивирования фактически является началом научно-практической работы по микробиологическому синтезу тех или иных продуктов. С этой целью определяется динамика накопления биомассы, или целевого продукта метаболизма, а так же потребление исходного основного сырья (субстрата). Для этого периодически берут пробы из развивающейся культуры с частотой, обеспечивающей возможность установления основных фаз развития микробной популяции. Заканчивают исследования после прекращения роста микробной культуры и максимального накопления целевого продукта.

Если при сравнении параметров кривых роста число микроорганизмов (или их биомассы) и накоплением целевого продукта имеется прямая связ, то это свидетельствует о результате биосинтеза его в экспоненционную фазу. Такой продукт микробного метаболизма называют первичным. При отсутствии такой корреляции целевой продукт обычно синтезируется в стационарной фазе и фазе отмирания, т.е. рост микробов заторможен и выросшая биомасса может еще перерабатывать оставшийся неиспользованный субстрат. Этот продукт относят ко второй фазе, а сам процесс синтеза его нередко имеет катаболитический характер и связан с возникновением экстремальных условий для микробной популяции. Но иногда целевой продукт второй фазы начинает синтезироваться еще в лог-фазе, так что подразделение процессов на одно- и двухфазные не носит абсолютного характера.

Наличие вторичных продуктов (метаболитов) в отличие от первичных в большинстве своем для жизни микроба-продуцента необязательно. Типичными продуктами второй фазы роста культур являются антибиотики. Вторичными могут быть и продукты энергетического метаболизма. Например, у некоторых бродильных микроорганизмов продуктами первичного метаболизма углеводов часто являются органические кислоты, но при ингибировании роста, создающимися условиями среды, вместо них образуются нейтральные вещества – спирты, кетоны, являщиеся часто целевыми продуктами. Такая двухразность брожения была открыта В.Н.Шапошниковым и распространена затем на другие процессы микробного биосинтеза.

Во вторую фазу может осуществляться и сверхсинтез продуктов первой фазы (например, витаминов).

При культивировании микроорганизмов, с какой бы целью оно не проводилось, важным является определение таких характеристик, как эффективность или скорость роста, и экономический коэффициент культивирования, или выход биомассы.

Скорость роста характеризуется чаще всего удельной скоростью роста, обозначаемой М. Удельная скорость роста (µ) – отношение числа или веса (в граммах) образовавшихся за единицу времени клеток к общему числу или весу (в граммах) клеток. Обычно µ выражают в доле прироста за 1 час. Таким образом,

µ = *

где dx – прирост биомассы за единицу времени = Х₂-Х₁

dt – промежуток времени, за который определяется dx;

х – общее число клеток на момент времени T₂.

Удельная скорость роста микроорганизмов, когда это необходимо рассчитывается для любой фазы развития периодической культуры, но чаще всего она определяется для фазы логарифмического роста, в которой кривая роста имеет линейный характер.

Максимально возможную скорость роста культуры в данных условиях обозначают µ _ш. Очевидно, что µ, определенная в фазу логарифмического роста стремится к µ _м.

Иногда бывает необходимым определять валовую (общую) скорость роста V, которая характеризует абсолютный прирост биомассы за единицу времени:

V=

Как µ так и V характеризуют данную культуру в данных условиях культивирования и не являются количественной характеристикой штамма.

Скорость роста может характеризоваться также временем удвоения количества биомассы или числа клеток – g (или временем генерации):

g = t_удв. = =

где ln – натуральный логарифм.

Экономический коэффициент культивирования или выхода биомассы обозначают «Y» и определяют как отношение веса (в граммах) или числа образованных клеток к весу (в граммах) или концентрации потребленного питательного субстрата.

Y=

где - увеличение количества биомассы, соответствующее потреблению субстрата в количестве .

У периодических культур определяется средняя величина за период роста. Вычтя из количества выросшей биомассы «Х» количество посевного материала «Х₀» и поделив количество потребленного питательного вещества, получим:

Y_ср. =

где S₀ – концентрация питательного вещества в исходной среде;

S – остаточная концентрация питательного вещества.

Экономический коэффициент может определяться за резные сроки культивирования. Обычно конкретный штамм характеризуют по

Y_ср. =

в период фазы логарифмического роста. При замедлении скорости роста в лог – фазу вследствие недостатка какого – либо компонента питательной среды (лимитирования) или из-за накопления неблагоприятных для роста метаболитов в среде (ингибирования) экономический коэффициент снижается. Экономический коэффициент может рассчитываться в отношении потребления любого субстрата, прежде всего углеродного, а также и в отношении кислорода и вообще любого компонента питания.