Unul dintre principalii factori care afectează creșterea rapidă a microorganismelor și sinteza maximă a diferitelor substanțe biologic active de către acestea sunt mediul nutritiv. Atunci când se selectează un mediu nutritiv, ar trebui să se țină cont de utilitatea sa, adică de un set rezonabil și echilibrat de diferiți compuși nutrienți necesari pentru ca microorganismul să construiască o celulă în creștere și să sintetizeze produsul final țintă.
Pentru creșterea și dezvoltarea normală a microorganismelor în mediul nutritiv, toate elementele din care trebuie să fie prezente formele celulare. Multe microorganisme au nevoie de o varietate de condiții suplimentare pentru creșterea într-un mediu nutritiv: anumite concentrații de ioni de hidrogen, potențialul de reducere a oxidării mediului, raporturile necesare de ioni diferiți. Unele microorganisme cu trasaturi ereditare perturbate (mutanti auxotrofici) au nevoie de factori de crestere separati, pe care ei nu-i pot sintetiza: aminoacizi, purine, vitamine etc.
Pentru a obține produse de sinteză microbiologică, în funcție de tehnologia de producție și de producție a microorganismelor, se utilizează medii nutritive care sunt excelente în compoziție. Într-un proces tehnologic, pot fi utilizate medii nutritive de diferite compoziții pentru a produce și multiplica semințele și pentru etapa de cultivare a producției.
Componentele principale ale mediului nutritiv sunt surse de carbon și azot.
Materii prime carbonifere
Cele mai caracteristice materii prime conținând carbon sunt carbohidrații. Carbohidrații sunt unul dintre cei mai importanți constituenți ai unui mediu nutritiv pentru creșterea microorganismelor. Ele sunt utilizate pentru a sintetiza structurile celulare și, în același timp, servesc drept sursă de energie. Pentru biosinteza industrială, cel mai adesea se utilizează glucoza sau amidonul. În mediul de cultură, este introdusă glucoza tehnică sau lichidul mamă (hidrolitic), care este lăsată după izolarea glucozei cristaline. Hidroliantul conține aproximativ 50% zaharuri reducătoare (în termeni de glucoză).
Atunci când se introduc produse tehnice în mediu, cantitatea lor se calculează pe baza conținutului de substanțe reducătoare în termeni de carbohidrați puri. Deci, în special, folosiți în mediul înconjurător hidrolizații de diverse deșeuri de prelucrare a materiilor prime agricole (coji de floarea soarelui, știuleți de porumb, așchiile de lemn, etc.).
Amidon, 96-97,5% constând din polizaharide, care se formează în hidroliza acidă a glucozei, pot fi utilizate de acele microorganisme care sunt capabile de biosinteza enzimelor amilolitice.
Materii prime care conțin azot
Biosinteza multor substanțe biologic active se realizează pe medii nutritive ale unei compoziții chimice complexe și deseori instabile. În ele, diferite surse de azot pot fi reprezentate de proteine, peptide sau aminoacizi liberi. Fermentația industrială utilizează extract de porumb, făină de soia sau hidrolizate de drojdie. Extractul de porumb conține întregul complex de aminoacizi, dar compoziția lor cantitativă poate varia semnificativ de la lot la lot. Compoziția aproximativă chimică și aminoacidă a extractului de porumb este prezentată mai jos.
Substanțele de proteine sunt bogate în făină de soia. Ea, ca și extractul de porumb, conține toți aminoacizii obișnuiți, totuși ei sunt în mare parte legați sub formă de proteine. La evaluarea substanțelor naturale (făină de soia, extractul de porumb și așa mai departe. P.) Trebuie să fie luat în considerare faptul că efectul lor asupra metabolismului procesului de microorganisme îndreptat cauzate nu numai de prezența proteinelor și aminoacizi, dar, de asemenea, prin prezența, împreună cu ei carbohidrați, acizi nucleici, acizi grași , microelemente, acizi organici și alți compuși.
Dintre substanțele care conțin azot mineral, cele mai des utilizate sunt sărurile de amoniu ale acizilor sulfurici, clorhidrici sau azotați. După cum a demonstrat practica, sulfatul de amoniu s-a dovedit a fi potrivit pentru biosinteza multor compuși.
În substanțele care conțin azot de amoniu, ionul de amoniu este în combinație cu un anion al unui anumit acid, de exemplu acid sulfuric sau fosforic. Nevoia de microorganisme în sulf și fosfor este mai mică decât în azot, deci atunci când se utilizează azot în mediu, se vor acumula anioni și va crește aciditatea mediului. Pentru a evita acest lucru, în timpul cultivării microorganismelor se adaugă cretă la rășini medii sau alcaline.
Influența surselor de azot asupra biosintezei depinde nu numai de sursa de azot în sine, ci și de compoziția globală a mediului. Esențial este raportul dintre cantitățile prezente în azot și carbon. Dozajul acestora trebuie ajustat în conformitate cu limitele de concentrație optime pentru cele mai importante substanțe pentru o anumită cultură. Pentru fiecare tulpină de producție, această valoare va fi diferită.
Pregătirea și sterilizarea mediilor nutritive
Pentru a prepara mediul de producție, zaharurile și sărurile sunt dizolvate preliminar, astfel încât componentele insolubile precum făina de soia sau creta să fie suspendate cu grijă. Materia primă care conține amidon este pre-gelatinizată. Pentru accelerare, aceste procese se desfășoară în agitatoare mici (reactoare) și apoi soluțiile sunt amestecate într-un reactor de amestec cu fund plat, închis, echipat cu un barbotor pentru injecția de abur. Concentratul mediu, care este de aproximativ o treime din volumul necesar, este încălzit cu abur fierbinte la 70-80 ° C pentru dizolvarea finală și suspensie. La această temperatură, componentele termolabile ale mediului nu se descompun. Prepararea unor medii mai concentrate face posibilă utilizarea mixerelor cu o capacitate mai mică.
O condiție necesară pentru sterilizarea cu succes a mediului nutritiv este omogenizarea completă a componentelor sale solide. Durata îmbătrânirii (la temperatura de sterilizare) a particulelor mari care se încălzește încet în timpul sterilizării este mai mică decât cea calculată, și o microflore străină care este capabilă să infecteze lichidul de cultură este reținută în acestea.
Rezultatele studiilor privind procesul de amestecare indică faptul că viteza de dizolvare a substanței în lichid este proporțională cu puterea agitatorului pe unitatea de volum a lichidului. În legătură cu aceasta, reactoarele pentru prepararea unui mediu nutritiv trebuie să fie echipate cu mixere suficient de puternice, precum și cu șicanele care nu permit turbulența și rotirea lichidului în aparat (tabelul 2.1).
În tabel. 2.1 prezintă principalele tipuri de dispozitive de amestecare și zonele de aplicare a acestora. Ingredientele utilizate la fabricarea mediilor de cultură face ca utilizarea anumitor tipuri de dispozitive în aparatele de amestecare pentru prepararea anumitor tipuri de materii prime (melasă diluate și gelatinizarea amidonului) și în reactor (mixer) pentru mediu gătit. Dacă mediul urmează să fie sterilizat ciclic, această operație poate fi efectuată în fermentator. În acest caz, mediul și echipamentul sunt sterilizate simultan (Figura 2.1).
În Fig. 2.1 prezintă schemele posibile de încălzire și răcire a fermentatorului. Cel mai adesea folosiți încălzirea combinată cu abur fierbinte și printr-o cămașă sau o bobină. Pentru sterilizare ciclică se găsește de obicei că cel mai convenabil și economic avantajoasă pentru a menține temperatura de 121 ° C, ceea ce corespunde presiunii vaporilor saturați de 100 kPa. În condiții normale, mediul nutritiv este menținut la o temperatură de sterilizare de 30 până la 40 de minute. Ciclul complet de încălzire, înmuiere și răcire pentru fermentatorii mari (63 m3) este calculat în câteva ore (Figura 2.2).
Metoda de sterilizare ciclică a mediului în aparat este foarte simplă. Cu toate acestea, are dezavantaje semnificative în comparație cu metoda continuă. În primul rând, calitatea mediului nutritiv se deteriorează datorită expunerii mai mari la temperaturi înalte decât în cazul sterilizării continue, după cum se poate observa din fig. 2.2. În al doilea rând, este necesar un consum sporit de abur în timpul încălzirii mediului și, în al treilea rând, procesul ciclic este mai dificil de automatizat. De aceea, în prezent este folosit pentru sterilizare medie doar în aparate cu volum mic.
Sterilizarea termică duce la anumite modificări chimice în compoziția mediului nutritiv. Unele dintre ele sunt reduse la descompunerea unor compuși instabili la căldură, ceea ce duce la pierderea substanțelor necesare pentru hrănirea microorganismului. Cu alte schimbări, interacționează diverse componente ale mediului, în special între compuși amoniu sau amine și carbohidrați, ceea ce duce la formarea de produse care inhibă creșterea microorganismelor. Cele mai multe modificări ale ingredientelor chimice ale mediului se produc la temperaturi mai ridicate decât temperatura de sterilizare.
În consecință, o sterilizare eficientă, combinată cu schimbări minime în mediul înconjurător, poate fi obținută prin aplicarea unei temperaturi mai ridicate, precum și încălzirea și răcirea rapidă. În sistemele ciclice, acest lucru se realizează prin intermediul unui abur surd care trece prin bobine sau jachete de încălzire și prin intermediul unui abur acut injectat prin duzele pentru însămânțare, alimentare cu aer și eșantionare. Ca urmare a acestei recepții, toate fitingurile conectate la fermentator sunt sterilizate de aburul fierbinte care trece. Procesarea cu abur picant duce la formarea condensului. În acest sens, este necesar să se țină seama în prealabil de diluția mediului cu condensul și să se facă o corecție adecvată la compoziția inițială a mediului în curs de preparare. Apoi, la sfârșitul sterilizării, mediul va avea concentrația necesară a tuturor componentelor nutriționale. Dacă sterilizarea carbohidraților se face separat și apoi se adaugă aseptic la restul mediului anterior sterilizat, reacția dintre carbohidrații și alte componente constitutive ale mediului poate fi prevenită. Acele componente care sunt foarte sensibile la căldură pot fi, de asemenea, sterilizate separat. Astfel, pentru sterilizare, iradierea sau filtrarea poate fi aplicată prin utilizarea filtrelor.
Anterior, am remarcat avantajele sterilizării pe termen scurt de temperatură înaltă ca tehnică care minimizează deteriorarea calității nutriționale a mediului fără a reduce eficacitatea sterilizării în sine. O astfel de metodă poate fi implementată cel mai eficient prin utilizarea unui sistem de sterilizare continuă într-un flux (Figura 2.3). Mediul este preparat într-un recipient separat 1 și apoi pompat prin unitatea de sterilizare 2 către un fermentator sterilizat. Unitatea de sterilizare continuă constă din secțiuni (aparate) conectate în serie: un încălzitor 3, o rezistență 4 și un frigider 5. într-un astfel de sistem pot fi utilizate temperaturi mai ridicate decât cele care pot fi considerate economice în sterilizarea ciclică. Ca urmare, durata mediului la temperatura maximă este redusă drastic, iar perioadele de încălzire și răcire nu depășesc câteva secunde (a se vedea figura 2.2).
Pentru un mediu lipsit de solide în suspensie, menținerea temperaturii la 150-160 ° C asigură o sterilizare instantanee. În același timp, schimbările chimice care apar în mediul înconjurător sunt atât de nesemnificative încât pot fi neglijate. Dacă mediul conține particule solide în suspensie, temperatura optimă pentru sterilizarea ar trebui să aibă o valoare mai mică, deoarece timpul suplimentar este necesar pentru pătrunderea căldurii în astfel de particule. Această valoare va fi determinată de natura particulelor suspendate și permise în fiecare caz, gradul de schimbare a compoziției inițiale a mediului. Cele mai frecvente în astfel de cazuri considerate de temperatura de sterilizare egală cu 135 ° C, iar durata deținerii 5 până la 15 minute. În toate cazurile, sterilizarea continuă a agentului de răcire introdusă în schimbătorul de căldură se realizează în mod substanțial de tip inelar sau tub de tip placă în contracurent, iar încălzirea - prin injectarea de abur.
Diferitele tipuri de secțiuni utilizate în sistemul de sterilizare continuă sunt prezentate în Fig. 2.4. Consumul economic de abur poate fi realizat prin includerea unei etape regenerative speciale în sistem pentru preîncălzirea mediului rece nesteril. Sterilizarea continuă face posibilă reproducerea aceluiași grad de schimbări chimice în mediu la diferite scări de producție. În plus, întreprinderea reduce brusc fluctuațiile consumului de abur și apă.
La fiecare aparat al sistemului de sterilizare, sunt prezentate diferite cerințe tehnologice și, în funcție de modul și amploarea producției, proiectarea fiecăruia dintre aceste dispozitive poate să nu fie aceeași.
Principala cerință pentru încălzitor este o încălzire rapidă până la temperatura de sterilizare cu cel mai mic consum de aburi.
Încălzitorul (figura 2.5) este de obicei o coloană formată din două tuburi. Tubul exterior este corpul. Aburul este alimentat din partea superioară a tubului interior 3 cu striații, prin care intră în mediul înconjurător, și 10-15 cu fiecare volum se încălzește. Mediul nutritiv este alimentat de dedesubt prin duza 4, mediul este încălzit la temperatura de sterilizare trece prin mediul de conectare 2. Mișcarea se produce datorită prezenței ghidajului șurubului în spirală 1. La oprirea coloanei de evacuare a condensului este trecut prin când se deschide robinetul patrubok5 6. Dispozitivul este simplu și de mici dimensiuni, dar Funcționarea sa este însoțită de șocuri hidraulice în timpul condensării aburului și pierderea condensului.
În încălzitorul cu jet, turbulența intensă a fluxului mediu și a vaporilor previne șocurile hidraulice și depunerile de sedimente.
Principala cerință a titularului este constanța duratei de ședere a fiecărui volum de mediu în acesta la o anumită temperatură de sterilizare. Pentru a menține timpul de menținere constant, mediul nesteril care intră în aparat nu trebuie amestecat cu mediul steril care iese din el. Cu alte cuvinte, stander ar trebui să lucreze pe principiul deplasării depline. În Fig. 2.6 prezintă un suport tubular (sterilizator). Are un suflant de admisie 1 și este alcătuit din trei țevi 2 conectate în serie cu adaptoarele 3. Un regulator automat de presiune 5 în suport este instalat pe conducta de evacuare în conformitate cu temperatura de sterilizare. Amortizorul este echipat cu un manometru 4 și termometre 6. Pentru golirea țevilor sunt prevăzute conectori 7.
Frigiderul este dispozitivul cel mai mare și mai scump din sistemul de sterilizare continuă. Temperatura mediului este menținută la nivelul dorit prin intermediul apei de la robinet care circulă în haină, astfel încât cea mai mică încălcare a integrității peretelui prin care se produce transferul de căldură poate provoca infectarea mediului nutritiv.
Un design de sterilitate bine conservat este un schimbător de căldură cu două tuburi (cum ar fi o țeavă într-o țeavă) dintr-o structură sudată (Figura 2.7). Pentru a asigura o etanșeitate mai mare, mediul este alimentat prin tubul interior al schimbătorului de căldură. Schimbătorul de căldură de tip placă, spre deosebire de tipul cu două tuburi, este mai compact. De asemenea, are o etanșare bună, un coeficient de transfer de căldură ridicat, împreună cu o suprafață mare de schimb de căldură pe unitatea de volum a aparatului.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: