Микробиологические подходы к процессам культивирования культур микроорганизмов

наблюдается при использовании 6-12-часовой периодической и непрерывной культуры (инокулята), адаптированной к суспензионным условиям.

THE INFLUENCE OF INNOCULATIVE CULTURE ON THE GROWTH OF MICROBIAL POPULATIONS IN THE SUSPENSION CONDITIONS OF BIOREACTIVE

SYSTEMS

Akimov Ye.K., Galiullin, A.K.

Summary

The most effective growth of Brucella 82 strain is observed when using 612 hours periodic and continuous culture (inoculum), adapted to the gies-suspension conditions is determined.

УДК 619:576.8+579

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПРОЦЕССАМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

Акимов Е.К. - к.б.н., с.н.с.; Галиуллин А.К. - д.в.н., профессор Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности,

г.Казань

Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э. Баумана

тел.: (843) 273-97-34

Ключевые слова: микроорганизмы, микробиологические процессы, питательные среды.

Keywords: micro-organisms, microbiological processes, nutrient media.

В настоящее время микробиологические процессы культивирования по способу производства подразделяются на периодические, непрерывные и промежуточные.

Под периодическим и непрерывным способом производства подразумевается, прежде всего, способ загрузки и выгрузки основного потока среды в ходе ферментации. В чисто периодическом процессе загрузка питательной среды и выгрузка готового продукта производится однократно с непрерывной или импульсной подачей различных добавок, поддерживающих рН среды на нужном уровне. При непрерывном культивировании загрузка питательной среды и выгрузка продукта совмещены во времени. В большенстве случаев переход на непрерывный режим культивирования осуществляется после всестороннего изучения процессов получения целевого продукта периодическим способом. Однако такой переход не всегда удается осуществить. Как показывает практика, на

каждый процесс, который удается перевести на непрерывный режим, появляются до 10 новых периодических процессов микробиологического синтеза.

В непрерывных процессах культура микроорганизмов постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Обеспечивается это непрерывной подачей в биореактор свежей питательной среды с постоянной скоростью, где объем культуры поддерживается на постоянном уровне путем непрерывного отлива части культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. При этом можно управлять действием любого фактора среды или его комбинаций. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой. Непрерывная система культивирования характеризуется более высокой однородностью выращенной культуры, что является одним из основных условий при приготовлении сывороток и вакцин.

Промежуточные процессы включают отъемно-доливной или многоциклический непрерывный режим культивирования,которые

осуществляются с постоянной подачей эквивалентного объема питательной среды в ферментатор и периодическим отъемом культурально-суспензионной жидкости из него, это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания, а полунепрерывные процессы и другие являются их модификацией. Тип процесса также оценивается по конечному или целевому продукту. Целевым продуктом культивирования является биомасса микроорганизмов, а также продукты их метаболизма (белки, ферменты, аминокислоты, антибиотики, витамины, токсины и т.д.).

По мнению многих авторов исследований, процессам культивирования микроорганизмов присущи особенности, отличающие его от других производств, в частности химико-технологических, которые во многом схожи. К ним относятся следующие особенности:

- обычно микробиологические процессы являются частью многостадийного производства и конечный продукт процесса, как правило, не является товарным продуктом;

- культивирование микроорганизмов осуществляется в условиях строгой чистоты исходной популяции, что связано со стерилизацией как основной, так и вспомогательной аппаратуры, а также всех компонентов, поступающих в ферментатор;

- культивирование микроорганизмов осуществляется в гетерогенных многофазных системах, реологические свойства которых в ходе процесса часто изменяются;

- многообразие биохимических механизмов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов, основанных на

ферментативных процессах;

- сложность питательных сред, включающих большое число компонентов;

- автокаталитичность процесса ферментации, то есть влияние продуктов реакции, в том числе образовавшейся биомассы и продуктов метаболизма;

- относительно низкие концентрации получаемых продуктов и скорость реакций;

- умеренная температура в пределах 20-400 С и близкие к нейтральному значения рН.

Следовательно, поиск оптимальных условий культивирования микроорганизмов с учетом перечисленных выше факторов при многообразии их видов и особенностей является сложной задачей.

В зависимости от способа производства целевого продукта микробиологического синтеза (периодический, непрерывный или промежуточный) различаются пути и методы оптимизации процессов и характеризующих их параметров. Существуют основные направления оптимизации процессов культивирования, которые являются общими, как для непрерывных, так и для периодических режимов:

- селекция микроорганизмов - продуцентов;

- оптимизация состава ферментационных и посевных сред;

- выбор оптимальной ферментационной аппаратуры (включая решение вопросов стерилизации оборудования, среды, а также вопросов масштабного перехода);

- оптимизация режимов аэрации и перемешивания в соответствии с потребностями процесса культивирования микроорганизмов;

- оптимизация режимов температуры, рН при культивировании;

- оптимизация режима подачи добавок, субстрата и других компонентов в ходе культивирования;

- определение оптимальной длительности цикла ферментации;

- совершенствование методов контроля и регулирования основных параметров и методов оценки состояния культивирования.

Только комплексный подход к решению конкретных задач по оптимизации процесса культивирования микроорганизмов позволяет добиться наилучших результатов. Такой сложный процесс, как выращивание микроорганизмов, требует для своего описания множество параметров, характеризующих различные стороны его проявления. Он включает в себя как внешние управляющие воздействия, так и параметры физиологического состояния культуры. Внешними управляющими воздействиями являются аэрация, перемешивание, подача теплоносителя или хладоагента, регулирование величины рН, пеногасителей, дозирование азотных, углеводных, фосфорных и других субстратов. При непрерывном или промежуточном способе культивирования требуется регулирование

скорости разбавление биомассы. Их важнейшими параметрами являются температура, рН, концентрация биомассы субстрата, растворенного кислорода и углекислого газа. На продолжительность генерации оказывает значительное влияние температура и физико-химические свойства питательной среды.

Физиологическое состояние культуры микроорганизмов определяется множеством процессов, происходящих в клетке. Наряду с концентрацией биомассы оно определяется содержанием ДНК, РНК, рибосом, различных ферментов, коферментов и целым рядом других продуктов ее жизнедеятельности. Исходя из этого, оценка физиологического состояния культуры всегда проводится по различным кинетическим параметрам, характеризующим внешнее проявление роста биомассы, основными из которых являются удельная скорость роста культуры, скорость закисления или защелачивания среды, скорость потребления кислорода и компонентов питательной среды, выделение углекислого газа и других продуктов метаболизма. Использование в системах регулирования параметров физиологического состояния позволяет вести обратную связь процесса. Правильный выбор режима регулирования этими воздействиями является одной из основных задач оптимизации микробного синтеза.

Наиболее современными методами наработки биологической массы в промышленном производстве биологических препаратов является крупномасштабное культивирование микроорганизмов в периодическом и непрерывном режиме. При этом для культивирования микроорганизмов используют ферментаторы различной емкости, оборудованные системой подачи и перемешивания, а также контрольно - измерительными приборами.

Первые работы по глубинному культивированию относятся к 1947 -1953 годам и проводились с В. аЬойш шт.19. Е.К.Волик (1955) культивировал бруцеллы в питательной среде на основе ферментативного гидролизата говяжьего мяса в котловой установке при интенсивной аэрации среды. Это позволило в течение 48 часов получать биомассу в концентрации до 36 млрд. м.к./мл. В неаэрируемых условиях концентрация биомассы составляла 1,6 млрд.м.к./мл.

При непрерывном культивировании бруцелл шт.19 А.НашсЫМ,

Н.Р1ушск (1961) добились роста концентрации бруцелл до 20 млрд. м.к./мл. Периодическое культивирование шт.19 на триптически-казеиново-дрожжевом бульоне и казеиново-грибной среде позволило Н.С.Семченой (1965) получить через 20 часов культивирования до 18-25 млрд. м.к./мл, а их жизнеспособность составляла 90-98%. Культивирование на сепарированном молоке с казеином позволило Н.А. Михайлову (1972) получить до 8 - 10 млрд. м.к./мл. М.7ауапе11а (1984) при культивировании на среде, содержащей мясной пептон и дрожжевой экстракт, достигла 7,8 -

11,0 млрд. м.к./мл. Культивируя В. abortus шт.19 на бульоне Хоттингера, Г.И.Николаева (1977) получила концентрацию культуры бруцелл от 10-30 млрд. м.к./мл. Н.З.Хазипов, К.М.Салмаков (1973) использовали питательную среду, содержащую печеночно-мясной бульон. Культивирование В.аЬоЛш шт.82 осуществляли в 25-литровом реакторе -ферментатора. Через 48 часов периодического культивирования концентрация бруцелл достигала в среднем 25 млрд. м.к./мл. Установлено, что культура В.аЬог!^ шт.82 обладает стабильными культурально -морфологическими и агглютинабильными свойствами, которые полностью сохраняются в процессе суспензионного выращивания в исследуемых средах.

Следовательно, культивирование культур микроорганизмов в открытых и закрытых системах (непрерывные и периодические) наиболее перспективные и развитые способы их выращивания. Преимущества этих методов культивирования состоят в стандартности условий проведения процесса, высокой производительности, возможностях тонкого управления кинетикой роста популяции, изучения основных закономерностей прохождения во времени микробиологических процессов на клеточном уровне.

ЛИТЕРАТУРА: 1. Бирюков В.В. Оптимизация периодических

процессов культивирования микроорганизмов//М.-Наука,1985.-С.215-292. 2. Варфоломеев С. Д. Кинетические основы микробиологических процессов//М. Высш.шк.,1990.-266 с. 3. Волик Е.К. Культивирование бруцелл в питательной среде на основе ферментативных гидролизатов говяжьего мяса//Тр. ГНКИ,1955.-С.201-218. 4. Виестур У.Э.

Культивирование микроорганизмов//Л.: Пищевая промышленность, 1980.231 с. 5. Михайлов Н.А. Способ глубинного культивирования вакцинного штамма 19 в жидкой среде и использование его для получения живой сухой бруцеллезной вакцины//Тр. ГНКИ,1972.-С.69-70. 6. Николаев Г.И. Опыт промышленного производства бруцеллезной вакцины шт.19, выращенной глубинным методом//Передовой научно-производственный опыт в биологической промышленности М., 1977,№1.-С.15-19. 7.

Печуркин Н.С. Анализ кинетики роста и эволюции микробных популяций//Новосибирск: Наука,1975.- 215 с. 8. Работнова И.Л. Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов// Сб.тр.М.,1980.- 220 с. 9. Семчева Н.С. Вакцины и сыворотки // Материалы по производству.- Медицина, 1965.-в.3.-С.55-65. 10. Хазипов Н.З. Обмен аминокислот у бруцелл при их культивировании//Ветеринария, 1973,№4.-С.42-44. 11. Hauschild A. Continuous culture of Brucella abortus S19//Canad.

I. Microbiol. 1961, 7. 4.- p. 491-505. 12. Zavanella M. Production control of freeze - dried B. abortus strain 19 vaccine by using cells produced by fermentation units//Apll. Microbiology and biology, 1984, 19. 4.- p. 229-232.

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПРОЦЕССАМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

Акимов Е.К., Галиуллин А.К.

Резюме

Культивирование культур микроорганизмов в открытых и закрытых системах (непрерывные и периодические) наиболее перспективные и развитые способы их выращивания.

MICROBIOLOGICAL APPROACHES TO THE PROCESSES OF CULTIVATION OF

MICROORGANISMS CULTURES

Akimov Ye.K., Galiullin, A.K.

Summary

Cultivation of microorganisms cultures in open and closed systems (continuous and periodic) are the most promising and developed methods of their cultivation.

УДК 619:539.16

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Акмуллина Н.В - к.б.н.

Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э. Баумана

телл.: (843) 238-25-69

Ключевые слова: рогнозирование, загрязнение радиоактивными веществами, продукция сельскохозяйственного производства.

Keywords: forecasting, radioactive contamination of agricultural

production.

Аварии, происходящие на объектах ядерно-топливного цикла, приводят к выбросу продуктов ядерного деления (ПЯД) в окружающую среду. В последствии часть радиоактивных веществ оседает на почву и растительность, загрязняя обширные территории сельскохозяйственного назначения, радионуклидами. При радиоактивном загрязнении территории срочно принимаются все возможные меры, направленные на защиту животных и исключение радиационного поражения людей внешним, внутренним и сочетанным облучением.

Внешнее облучение происходит за счёт повышенного радиационного фона, внутреннее - при поступлении в организм продуктов ядерного