Министерство образования и науки Российской Федерации __________________________________________________________________ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» __________________________________________________________________ Курс III Факультет: Химической и биотехнологии Кафедра: Молекулярной биотехнологии Профиль подготовки: 19.03.01 Биотехнология Учебная дисциплина: Биотехнология Группа 2992 Контрольная работа №1 Вариант 11 Студент _________________ Нейман В. Ю. Личная подпись Преподаватель _________________ Личная подпись Санкт-Петербург 2022 к.х.н. доцент Рутто М.В. Какие свойства биообъекта могут совершенствоваться при получении промышленных штаммов? Основная цель биотехнологического процесса - получение в масштабных количествах высокоэффективного конечного продукта, что становится возможным лишь при оптимизации методических подходов, а также в условиях применения биообъектов с совершенными свойствами продуцента или биокатализатора. Изменение биообъекта, направленное на улучшение его характеристик и благоприятное для его использования в производстве, называется совершенствованием. Совершенствование биообъекта - это получение продуцентов с мутациями в геноме, которые отличаются от исходного биообъекта в сторону улучшения биотехнологических свойств, в частности, в сторону увеличения образования целевого продукта. Цели, которые преследуют при совершенствовании продуцента: увеличение выхода конечного продукта на единицу биомассы; придание продуценту способности использовать менее дефицитные и более дешевые среды; отсутствие возможности развития реакции ретроингибирования при биосинтезе конечного продукта; устойчивость продуцента к бактериофагам; нетребовательность к оборудованию, то есть биосинтез не должен снижаться при несовременной технологии оборудования; оптимизация свойств продуцента в потребительском аспекте производства (продуцент не должен иметь неприятного запаха и т.д.). В чем отличие периодического глубинного культивирования микроорганизмов от непрерывного? Жидкие питательные среды даже без перемешивания позволяют избежать недостатков, связанных с примесями агара в смываемой суспензии, и увеличили выход процесса за счет использования больших емкостей для культивирования (бутыли, ферментеры). Применение же для культивирования клеток жидких питательных сред с принудительным перемешиванием культуры с целью выравнивания условий роста в различных частях рабочего объема культивационного сосуда привело к появлению динамических систем глубинного культивирования, оснащенных специальным оборудованием. Для выращивания больших количеств микроорганизмов способом периодического культивирования наиболее часто применяется глубинное выращивание в ферментере с принудительной аэрацией и перемешиванием. Глубинное культивирование в ферментерах по сравнению со статическим и поверхностным ускоряет рост и развитие микроорганизмов за счет устранения ««голодной зоны» вокруг микробной клетки и позволяет получать гомогенную культуру «идеального смешения». Клетки в такой системе равномерно распределены по объему ферментера и в каждый момент времени находятся в одинаковых условиях, то есть питательные субстраты и продукты метаболизма распределены также равномерно. «Идеальное смешение» особенно важно для изучения процессов роста и развития микробной популяции в целом. Применение динамических глубинных систем культивирования позволяет более рационально получать не только биомассу и эндометаболиты, но и экзопродукты микробного синтеза, выделяемые клеткой в окружающую среду. Получивший первоначальное распространение в производстве дрожжей и антибиотиков, в дальнейшем метод глубинного культивирования зарекомендовал себя как 2 наиболее пригодный для промышленного и лабораторного выращивания микроорганизмов. Периодические процессы культивирования находят применение в технической микробиологии при получении продуктов второй фазы роста и при культивировании патогенных бактерий в производстве вакцин и анатоксинов. Дальнейшее усовершенствование процесса глубинного культивирования было направлено на разработку систем контроля условий культивирования. В отличие от периодического культивирования в непрерывных процессах питательная среда подается непрерывно, удаление биомассы и продуктов ее жизнедеятельности также осуществляется непрерывно. Установившиеся режимы непрерывного культивирования характеризуются постоянством концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста популяции. Непрерывное культивирование проводится в открытой динамической системе, которая может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Эта система способна к длительной работе в постоянном установившемся режиме. Описать турбидостат. Турбидостат представляет собой самую простую из всех хорошо перемешиваемых систем непрерывного перемешиваемых систем непрерывного культивирования. Концентрация клеток при турбидостатном культивировании регулируется постоянной подстройкой скорости поступления питательных компонентов. В отличие от хемостата, концентрацию биомассы в турбидостате выбирает оператор, а скорость разбавления и соответственно концентрация субстратов поддерживается таким образом, чтобы сохранялся заданный уровень биомассы. Турбидостатное культивирование осуществляют обычно в тех случаях, когда лимитирующий фактор не известен или в лимитирующих количествах субстрата нет необходимости. Поэтому субстрат добавляется в ферментер в избытке. Избыток концентрации всех компонентов питательной среды делает работу турбидостата стабильной даже при удельной скорости роста культуры близкой к максимальной (µ мах). Турбидостат позволяет регулировать систему в широких интервалах концентраций биомассы при скорости разбавления близкой к критической (Dкр). Именно в этих условиях химостат менее стабилен. Скорость разбавления в турбидостате всегда равна удельной скорости роста: D=F/V= µ при условии Х (концентрация клеток) = constant В свою очередь, постоянство концентрации микробной биомассы удерживают регуляцией скорости потока, которую осуществляет не оператор, а автоматическая система. В большинстве случаев с этой целью прибегают к прямому оптическому измерению мутности биомассы, которая зависит от концентрации клеток. Для этого ферментер оборудуют фотоэлектроколориметром или аналогичным ему устройством, работающим по принципу светорассеивания. Если концентрация клеток остается на нужном уровне, то питательная среда подается с заданной скоростью, а при снижении концентрации клеток подача питательной среды прекращается. Именно этот принцип работы турбидостата обеспечивает его устойчивую работу даже при коэффициенте разбавления близком к критическому – на границе вымывания клеток. Сигналом для подачи среды может быть не только оптическая плотность (мутность), но и любой параметр среды, поддающийся измерению электродом или другим устройством, переводящим величину измерительного параметра в величину электрического потенциала. Последний усиливается и приводит в действие работу насоса, подающего раствор или питательную среду. 3 Поскольку основные метаболические функции (поглощение бактериями кислорода, выделение CO2, изменение рН), тесно связанны со скоростью роста клеток и в конечном счете с удельной скоростью роста культуры, именно эти показатели чаще других используют как измеряемые переменные при регулировке потока среды. 4
