Теоретическое обоснование

Для активного размножения дрожжей необходимы два условия: сильное аэри­рование и низкая концентрация сахара в среде — 1—2%. В этих условиях дрожжи дышат, а не бродят, и накапливают большую биомассу. Выращивание ведут в чанах, на дне которых проложены тру­бки с отверстиями, через которые подается воздух. Питательная среда притекает в чан, содержащий лишь посевные дрожжи с таким рас­четом, чтобы, по мере притока расходовался весь сахар. К моменту наполнения чана весь сахар используется, и дрожжи вырастают. Их отделяют сепарированием, прессуют, иногда высушивают при невысокой температуре.

Дрожжи являются ценным кормовым средством в животновод­стве, так как они содержат полноценные белки и витамины. Для кормовых целей можно использовать различные дрожжевые организмы, не только S. cerevisiae. Есть дрожжи, прекрасно развивающиеся на углеводах, не пригодных для S. cerevisiae, например, пентозах, и на других веществах. Поэтому кормовые дрожжи выра­щивают на таком дешевом сырье, как барда спиртовых заводов, ко­торая содержит вещества, пригодные для роста дрожжей, но не пригодные для сбраживания и не использованные спиртовыми дрожжами.

К настоящему времени разработано несколько способов культивирования микроорганизмов: периодическое, непрерывное культивирование и культивирование иммобилизованных клеток [1].

Способ периодического культивирования является самым простым. При данном способе инокулят вносится в питательную среду, которая содержит заданное количество всех необходимых питательных веществ. При этом ни один из существенных компонентов питательной среды не поступает в систему в процессе культивирования, т. е. это закрытая система. Периодическое культивирование возможно как поверхностных культур (на поверхности твердой питательной среды), так и глубинных культур (в жидкой питательной среде). При внесении микроорганизмов в питательную среду их рост прекращается тогда, когда содержание какого-нибудь из необходимых компонентов среды достигает минимума или в среде накапливаются продукты метаболизма, ингибирующие рост микроорганизмов.

Кривая, описывающая зависимость логарифма числа живых клеток от времени, называется кривой роста. Типичная кривая роста (рис. 12) имеет S-образную форму и характеризуется различными фазами, связанными с изменением состава питательной среды, составом биомассы и физиолого-биохимическими свойствами микроорганизмов.

Второй способ культивирования микроорганизмов – рост в непрерывной культуре. Все компоненты питательной среды постоянно поступают в систему и выводятся из нее. Это открытая система осуществляется только в глубинной культуре, чаще всего аэрируемой.

Также производят культивирование иммобилизованных клеток. Клетки микроорганизмов прикрепляются (иммобилизуются) на каких-либо инертных носителях. Питательная среда постоянно поступает в систему и выводится из нее, т.е. тоже открытая система.

Многоциклические процессы в основном напоминают периодические, но при выгрузке в аппарате оставляется часть ферментационной жидкости, которая служит посевным материалом для следующего цикла, и только после этого добавляется свежая питательная среда.

Р ис. 13. Кривая роста микроорганизмов в закрытой системе.

В отъемно-доливных процессах ферментация в промежутках между загрузкой и разгрузкой аппарата протекает как периодическая, но после некоторого времени, определяемого по состоянию процесса, часть ферментационной среды выгружают и заменяют свежей средой. В сравнении с многоциклическим процессом интервалы между отборами меньше, а число отборов гораздо больше.

В периодическом процессе с подпиткой субстрата часть среды загружается в начале ферментации, а другая часть добавляется непрерывно по мере протекания процесса. Естественным завершением процесса является переполнение аппарата, поэтому необходимо переходить на строго периодический процесс с максимальным объемом среды и быстро завершать его.

Полунепрерывные процессы с подпиткой субстрата являются сочетанием отъемно-доливных и подпиточных. В рассмотренном процессе с подпиткой после достижения определенного состояния происходит отбор части ферментационной жидкости из аппарата, а затем постепенное добавление субстрата до нового заполнения аппарата.

Для культивирования микроорганизмов необходимо наличие жизнеспособной засевной культуры (инокулята), питательной среды, содержащей все необходимые элементы питания (источник энергии, углерода, макро- и микроэлементов и, в случае потребности, факторы роста), отсутствие в среде разного рода ингибиторов роста. Необходимо также поддержание оптимальных для роста микроорганизмов физико-химических условий окружающей среды (температура, рН, давление, условия аэрации, источники света и др.).

Основные параметры роста микроорганизмов:

X - концентрация биомассы, г/л;

N - число клеток в единице объема (титр культуры, плотность популяции), количество клеток в 1 мл;

μ - удельная скорость роста - прирост биомассы или числа клеток в единицу времени, отнесенный к концентрации биомассы или количеству клеток, ч^-1;

μ = ; μ= (30)

t_d - время генерации, время удвоения биомассы или числа клеток, ч;

t_{d =} (31)

Y - экономический коэффициент (или выход биомассы от потребленного субстрата), %:

Y= , (32)

∆X- увеличение биомассы, соответствующее потреблению субстрата в количестве ∆S.

Для определения роста микроорганизмов используется ряд методов, которые подразделяются на прямые и косвенные методы определения. К прямым методам относятся:

- определение биомассы весовым или турбидиметрическим методом;

- определение количества клеток микроорганизмов при использовании счетных камер или при высеве на твердые среды.

При использовании косвенных методов проводят определение массы отдельных компонентов клетки (белок, клеточный азот, нуклеиновые кислоты и др.), массы потребленного субстрата (источника углерода, азота, кислорода и др.), массы образуемых продуктов метаболизма или др.

Работа заключается в экспериментальном проведении пpoцесса культивирования дрожжей при росте на углеводах и на отходах производства (меласса и др.), а также в определении параметров их роста в зависимости от условий культивирования.