Вопрос 3 лекции Определение параметров роста

Основные факторы, влияющие на рост и развитие микроорганиз­мов, можно подразделить на две группы:

1. Внутриклеточные факторы, обусловленные структурой и специфическими особенностями орга­низма;

2. Внеклеточные факторы, т.е. условия внешней среды клетки.

……………………………………………………………………………………….

К внутриклеточным факторам относятся структура клетки, механиз­мы метаболизма и генетические характеристики, что является пре­рогативой цитологических, биологических и генетических исследо­ваний. Основной целью исследований в практической микробиологии являются внеклеточные (внешние) факторы.

……………………………………………………………………………………….

СЛАЙД 13

Для количественной характеристики роста микроорганизмов ана­лизируются основные параметры роста такие как:

- удельная скорость роста;

- время удвоения биомассы;

- степень размножения;

- экономический коэффициент;

- метаболический коэффициент.

………………………………………………………………………………………

СЛАЙД 14

Удельная скорость роста

Увеличение концентрации биомассы X за промежуток времени dt, равное dX, пропорционально количе­ству биомассы и интервалу времени, т.е. согласно уравнению 1:

dX / dt = м^.Х. (1)

Параметр м называется удельной скоростью роста и измеряется в часах^-1.

Если величина м постоянна, то интегрирование уравнения (1) дает

lnX = lnX₀+м^.t, (2)

где Х_о - концентрация биомассы при t = 0.

Из уравнения (2) следует, что

In (Х/Х₀) = м^.t, (3)

Рост, подчиняющийся выражению (3), называется экспоненци­альным.

……………………………………………………………………………………

СЛАЙД 15

Время удвоения биомассы. Зависимость между удельной скоро­стью роста и временем удвоения (t_d) можно получить, подставив в уравнение (3) значения

X = 2Х_о и t = t_d.

Тогда t_d = 1n2/м = 0,643/м (4)

Степень размножения. Если биомасса претерпевает n удвоений (генераций), тогда:

X / Х_о = 2ⁿ,

Откуда n = 3,32 log (Х/Х_о). (5)

При культивировании целесообразно использовать посевную дозу в количестве 10% от ожидаемого конечного накопления, тогда n = 3,32.

……………………………………………………………………………………….

Закон экспоненциального роста универсален для прокариотов и эукариотов, если указанные выше условия роста выполняются.

……………………………………………………………………………………….

СЛАЙД 16

Экономический коэффициент. Экономический коэффициент (выход биомассы) Y выражает количественные потребности орга­низма в питательных веществах и определяют как:

Y = - dX/dS, (6)

где dX - прирост биомассы, соответствующий потреблению (умень­шению в среде) субстрата dS.

Знак минус означает, что рост X возможен только при уменьше­нии S.

Если Х_о и S₀ - начальные, а X и S - текущие концентрации при росте X, то

X - Х₀ = Y (S₀ - S). (7)

Когда биомасса достигает максимума Х_макс, а концентрация лими­тирующего субстрата S ~ 0:

X_макс -X₀ = Y • S ₀ . (8)

……………………………………………………………………………………….

СЛАЙД 17

Метаболический коэффициент. Метаболический коэффициент аналогичен ферментной активности и равен:

q = м/Y . (9)

Уравнение (9) используется для определения потребностей в субстрате, в частности, это может быть кислород, глюкоза, углерод и т.д.

………………………………………………………………………………………

СЛАЙД 18

Вопрос 4. Периодическое и непрерывное культивирование (хемостат и турбидостат)

Периодическое глубинное культивирование представляет собой закрытую систему, в которой скорость роста биомассы стремится к нулю из-за исчерпания субстрата и накопления ингибиторов. Такие системы всегда находятся в неустойчивом состоянии.

Рост клеток и образование продуктов биосинтеза при периоди­ческом культивировании представляют собой процессы, которые за­канчиваются после некоторого определенного времени.

В 1949 г. Моно модифицировал процесс периодического культивирования по­средством непрерывного введения в хорошо перемешиваемую куль­туру свежей питательной среды при одновременном удалении из си­стемы эквивалентного количества культуральной жидкости с содер­жащимися в ней микробными клетками и продуктами биосинтеза (отьемно-доливной способ).

……………………………………………………………………………………….

Ярким примером промышленного использования периодических процессов–является широкое применение аппаратов культиваторов, биореакторов, ферментёров это всё синонимы.

………………………………………………………………………………………

СЛАЙД 19

Первый отечественный биореактор (АКМ-Ш) был разработан и внедрён в практику для производства первых отечественных вакцин и антибиотиков в стенах Института гигиены и санитарии Красной Армии в 1943 году. Его конструктор Алексей Филиппович Шестеренко. За разработку медицинской аппаратуры А.Ф. Шестеренко в 1952 году удостоен Гос. премии. .…………………………………………………………………………………

СЛАЙД 20 На этом слайде показан современный лабораторный культиватор (полностью автоматизирован процесс ведётся на основе математической модели…). ……………………………………………………………………………….

СЛАЙД 21

Закономерности размножения микроорганизмов при периодическом культивировании можно сформулировать следующим образом:

- размножение микроорганизмов определяется протеканием двух противоположных процессов - образования и гибели клеток, т.е. син­теза и деструкции;

- скорость образования микроорганизмов (синтеза биомассы) пропорциональна все увеличивающейся в процессе их культивирования концентрации X и уменьшается с уменьшением концентрации ли­митирующего субстрата S;

- скорость отмирания клеток (деструкции биомассы) пропорцио­нальна квадрату их концентрации;

- ……………………………………………………………………………….

СЛАЙД 22

- концентрация питательных веществ, необходимых для размно­жения микроорганизмов, определяется содержанием в питательной среде одного или нескольких лимитирующих компонентов;

- продукты лизиса погибших клеток (S*) в кинетическом отноше­нии (количественно, но не качественно) эквивалентны исходному субстрату;

- процесс размножения в условиях периодического способа куль­тивирования заканчивается установлением равновесия, при котором скорости синтеза и деструкции биомассы равны, а поэтому концент­рации микроорганизмов и субстрата не меняются во времени.

……………………………………………………………………………………

Компоненты питательной среды по характеру их превращения в процессе размножения и влиянию на кинетику роста популяции мож­но разделить на две группы:

- вещества, которые при включении в структуру клеток и после­дующем лизисе погибших клеток не претерпевают изменений, и не исключают возможность их повторного использования в метаболическом обмене при образовании новых микроорганизмов;

- вещества, которые в процессе синтеза биомассы претерпевают такие превращения, что их повторное использование микроорганизмами в качестве субстрата невозможно.

Таким образом, кинетическая эквивалентность исходного субстрата и продуктов лизиса погибших клеток в реальной системе клетка- среда может иметь место, если величина субстрата связана с концентрацией в питательной среде веществ, относящихся к первой группе, что и предполагалось при построении модели обратимого равновесного автокаталитического роста популяции.

Продуктивность периодических процессов культивирования.

При периодическом про­цессе культивирования расчет продуктивности должен вестись на всё рабочее время, в которое необходимо включать не только время соб­ственно культивирования, но и время, необходимое для того, чтобы освободить биореактор от предыдущей загрузки, промыть его, про стерилизовать, заполнить новой партией среды и снова простерилизовать эту среду с биореактором. Необходимый для этого период вре­мени может быть как коротким (например, 6 ч при производстве дрож­жей), так и довольно длинным (например, 20 ч при производстве ан­тибиотиков).

Культуры, которые мы рассматривали до сих пор, назывались периодическими культурами; питательные вещества в них не возобновлялись, и поэтому экспоненциальный рост клеток сохранялся только в течение нескольких генераций.

СЛАЙД 23