Класифікація способів культивування

Для реалізації будь-якого біотехнологічного процесу необхідна культура мікроорганізмів (продуцент), поживне середовище (субстрат), апаратура для вирощування і проведення допоміжних операцій (біореактор або ферментатор), засоби контролю та управління процесом. Щоб об’єднати їх у технологічну схему, яка здатна ефективно функціонувати, необхідна технологія, яка може мати різні варіанти залежно від мети культивування, використаної сировини, продуцента та багатьох інших факторів.

Залежно від того, в якій фазі проходить ріст мікроорганізмів, процеси культивування діляться на поверхневі, твердофазні і глибинні. При поверхневому культивуванні культура продуцента росте на поверхні рідкого поживного середовища, вживаючи компоненти субстрату і виділяючи в це середовище продукти метаболізму. При твердо-фазному культивуванні клітини ростуть на поверхні твердого сере- овища, що містить достатню кількість води і живильних речовин. Глибинне культивування зараз найбільш поширене. Мікроорганізми розподіляються по всьому об’єму рідкого поживного середовища, а кисень надходить до клітин внаслідок інтенсивної аерації і перемішування середовища.

По відношенню до кисню мікроорганізми класифікуються більш детально таким чином:

- анаероби - не можуть використовувати кисень;

- облігатні анаероби - не можуть рости в присутності кисню;

- оксидурикові анаероби - не вбиваються киснем;

- оксилабільні анаероби - вбиваються киснем;

- аеротолерантні - можуть рости в присутності кисню, але не вико- ристовують його;

- аероби - можуть використовувати кисень як джерело енергії при метаболізмі;

- облігатні - не можуть рости без кисню;

-факультативні (еріоксикові) - можуть рости без кисню;

- мікроаерофіли - краще ростуть при концентраціях кисню більш низьких, ніж атмосферна.

У технології харчових виробництв застосовують головним чином факультативні анаероби, які добре розвиваються, як за наявності, так і за відсутності кисню.

Останнім часом значно зріс інтерес до безперервних способів ферментації. Але більшість промислових процесів мікробіологічного синтезу позаклітинних продуктів (виробництво спирту, пива, вина, антибіотиків, амінокислот тощо), як і раніше використовують періодичні і напівперіодичні процеси.

Тому періодичні та напівперіодичні процеси ще довгий час будуть використовуватись в технології харчових виробництв. Зокрема, розмноження чистої культури мікроорганізмів здійснюють виключно періодичним способом, який дає можливість створити і підтримувати повністю асептичні умови.

Типи розмноження мікроорганізмів

Вид мікроорганізму	Тип розмноження	Примітка
Бактерії	Поділ	Обидві дочірні клітини од­накові
Дріжджі	Утворення бруньок	Клітина дочки, клітина ма­тері з шрамом
Мікоміцети	Подовження і роз галуження міцелію	Подовження і розгалуження

Для характеристики росту мікроорганізмів у популяції застосовують такі терміни і визначення.

Популяція - це сукупність мікроорганізмів одного виду (чиста культура) або різних видів (змішані культури, асоціації), які розвиваються в обмеженому просторі. У популяції постійно відбувається ріст, мікроорганізмів, розмноження та відмирання клітин.

Концентрація мікроорганізмів — кількість клітин в 1 см клітинної суспензії (культуральної рідини).

Мікробна маса (маса клітин, біомаса, густина мікробної маси) -маса грамів сухої біомаси в 1 дм3 клітинної суспензії (культуральної рідини).

При внесенні у середовище мікроорганізми ростуть доти, поки вміст будь якого необхідного компоненту не стане мінімальним або не вичерпається, після чого ріст припиняється. Якщо впродовж усього часу культивування в середовище не вносити ніяких поживних речовин і не виводити продукти метаболізму, то отримують так звану періодичну культуру (популяцію мікроорганізмів в обмеженому життєвому просторі).

Вплив умов середовища па ріст мікроорганізмів

Ріст культури мікроорганізмів залежить від температури, концентрації і кислотності середовища, редокс-потенціалу та інших факторів.

Негативні фактори затримують ріст клітин та утворення цільового продукту і навіть відмирання частини клітин. В цьому випадку можна говорити про специфічну швидкість відмирання клітин.

Основні принципи розмноження мікроорганізмів

Розрізняють чисті і природно чисті культури мікроорганізмів. До чистих належать такі, що розмножуються з однієї клітини в стерильних умовах. Тому в середовищі знаходиться тільки один вид мікроорганізмів. У природно чистій культурі поряд з основною культурою знаходиться певна кількість інших видів мікроорганізмів, які з тієї чи іншої причини з’явились і розвиваються в середовищі. Це може бути обумовлено нестерильністю поживного середовища, попаданням мікроорганізмів з повітря, води, апаратури, обслуговуючого персоналу. У виробничих умовах краще використовувати чисті культури, але це потребує значних витрат. Тому процес отримання засівних мікроорганізмів та їх використання для виробничих потреб ділять на дві стадії: стадію чистої культури і стадію природно-чистої культури.

Чисті культури мікроорганізмів виробничники отримують з музеїв чистої культури або з галузевих НДІ. Вони надходять у вигляді пробірок, де на твердому середовищі агар-агару знаходиться поверхнева культура мікроорганізму.

Розмноження ведуть на середовищі, фізико-хімічний склад якого, температура і рН оптимальні для розмноження культури мікроорганізму. Кожна стадія завершується пересівом мікроорганізмів в біореактор більшого об’єму (у 2-5 разів). При тому пересів проводиться, коли мікроорганізми знаходяться в фізіологічно-активному стані. Зовнішніми ознаками такого стану є осадження мікроорганізмів, зникнення піни на поверхні рідини, зменшення на 2/3 первинного вмісту СР середовища.

11