Определение кинетических характеристик роста культур микроорганизмов для прогноза непрерывного культивирования

K_s, μ_mах, и Y являются важнейшими параметрами, характеризующими рост микроорганизмов в непрерывной и периодической культуре.

В настоящее время в промышленности для получения продуктов микробного синтеза используется метод непрерывного культивирования. Основным условием стабильного состояния культуры в непрерывном процессе является равенство удельной скорости роста (μ) и скорости разбавления (D).

Скорость роста микроорганизмов определяется физиологическими особенностями штамма, условиями культивирования, природой утилизируемого углеродного субстрата и его концентрацией в среде. Высокие исходные концентрации некоторых компонентов среды могут ингибировать рост микроорганизмов. Наиболее важной характеристикой роста микроорганизмов является их теоретическая максимальная удельная скорость роста (μ_max). Она рассчитывается при выборе перспективных культур для получения биомассы или продуктов метаболизма микроорганизмов в условиях непрерывного культивирования. Чем выше μ_max при росте на конкретном субстрате, тем устойчивее и продуктивнее будет идти процесс получения необходимого продукта. С практической удельной скоростью роста (μ) она связана математическим выражением Моно и имеет следующий вид:

                    (5)

где μ – практическая удельная скорость роста; S – концентрация лимитирующего фактора в среде; К_s – константа насыщения (константа Михаэлиса-Ментена), равная концентрации лимитирующего фактора, при котором μ_mах =1/2, величина К_s обратно пропорциональна сродству организма к субстрату. По своей форме уравнение Моно соответствует зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при химических реакциях (уравнение Михаэлиса-Ментена).

Величину K_s можно определить в опытах, где суспензией клеток засевают среды с различными, но очень низкими концентрациями субстрата S. Через короткие интервалы времени (1, 2, 3 ч и далее) измеряют величину биомассы и вычисляют значение μ. Далее строят график зависимости μ от концентрации субстрата S (рис. 23). Проводят линию, параллельную оси абсцисс, на уровне самого высокого значения μ до пересечения с осью ординат. Количественное значение К_s рассчитывается графически экстраполированием величины ½ μ_max на ось абсцисс (концентрация субстрата).

Рисунок23. Зависимость удельной скорости роста культуры (μ) от концентрации субстрата (S) в соответствии с уравнением Моно. K_s = 10 мг/л, при S=K_s, а μ=0,5 μ_max

Преобразуя уравнение (5), получаем:

                              (6)

т.е., построив график зависимости 1/μ от 1/S, получим прямую линию, которая пересекает ось абсцисс в точке – 1/K_s, а ось ординат ‑ в точке 1/μ_max (рис. 23). Линейность графика в случае, когда по оси ординат откладывают обратные величины, служит удобным методом для проверки гиперболической зависимости.

Рисунок 24. Данные рисунка 23 в обратных координатах