2. Культивирование микроорганизмов

Культивирование микроорганизмов – это один из основных приемов в микробиологии. Для роста и развития микроорганизмов в природе и в лабораторных условиях  необходимо наличие питательных веществ для энергетических и конструктивных реакций. Требования разных групп микроорганизмов к источникам энергии и химическим элементам определяются их метаболическими возможностями. Выращивание и поддержание микробных культур в лаборатории  основано на моделировании естественных условий обитания данного организма в лаборатории, а также на знании особенностей обмена веществ.

Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные ха­рактеристики производства биопрепаратов. На стадии культивирования осуществляется накопление как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микро­организмов.

Началом исследований по культивированию микроорганизмов является 1830 год, когда Каньяр де Латур, Кютцинг и Шван установили, что во многих бродильных процессах «повинны» рост и размножение дрожжей и других микроорганизмов. Либих и многие другие химики были противниками такого мнения, что затормозило эти исследования на 20 лет. В 1850 году Луи Пастер, исследуя физиологию дрожжей и бактерий, ввел асептические методы исследований и на минимальных питательных средах доказал, что спиртово-, молочно-, уксусно- и маслянокислое брожения вызываются различными микроорганизмами, обладающими различными потребностями в питательных веществах и кислороде.

Первая наиболее полноценная среда была приготовлена учеником Л. Пастера Ролэномв 1869 году для грибов рода Aspergillus. Хотя в распоряжении Л. Пастера не было метода чистых культур, но ему с учениками удалось, пользуясь элективными средами, доказать потребность микроорганизмов в главных и второстепенных компонентах среды и в источниках энергии.

В 1870 году Р. Кох ввел в практическую микробиологию метод чистых культур, гарантировавших получение на предложенных им плотных питательных средах чистых культур только определенных видов бактерий.

Потребность в сложных веществах, необходимых для микроорганизмов и именуемых в настоящее время «факторами роста», впервые установил Вильдье в 1901 году. Он доказал, что витамин В является одним из факторов, необходимых для роста дрожжей. На первых этапах микробиологических исследовании культивирование микроорганизмов осуществляли в пробирках или колбах путем выращивания их на поверхности плотных или жидких сред. Для более объемного промышленного культивирования микроорганизмов с целью получения из них различных биопрепаратов стали переходить на использование стеклянной посуды большой емкости (матрасы, бутыли). Причем, в такой посуде выращивали микроорганизмы главным образом на плотных агаровых средах. Новым этапом в культивировании микроорганизмов явился примененный в 1933 году Клюйвером и Пергиным способ встряхивания колб с жидкой средой на качалках с принудительной подачей стерильного воздуха. На этой основе был разработан так называемый глубинный метод выращивания микроорганизмов.

Промышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используют клеточные системы или микроорганизмы, обычно включает три ключевые стадии:

— подготовительную (обработка сырья, используемого в качестве источника питательных веществ, и приготовление , если это необходимо, питательных сред);

— биотехнологическую (рост микроорганизмов-мишеней в большом — обычно объемом более 100 л — биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансформация));

— получения готовой продукции (очистка целевого продукта от компонентов культуральной среды или от клеточной массы).

Ключевым направлением биотехнологии является интенсификация производственных процессов. Этого можно достичь как путем использования новых высокопродуктивных биообъектов, так и путем применения эффективных технологических режимов. Необходимо подобрать оптимальный субстрат, разработать конструкцию аппарата, оптимизировать условия культивирования биообъекта, обеспечить автоматический контроль за протеканием процесса, разработать способ выделения и очистки готового целевого продукта.