С.Дж.Перт

где ta - время задержки, которое включает в себя длительность лаг-периода и время, необходимое для загрузки и разгрузки

ферментера между циклами. Прирост биомассы будет равен Ysr, где sr- начальная концентрация лимитирующего рост

Рис. 15. Сравнение максимальной производительности по биомассе в перио.

дической и хемостатиой культурах.

Кривая соответствует росту периодической культуры, а производительность дается накло­ ном прерывистой линии А. В хемостатиой культуре можно поддерживать производитель• иость, равную максимальному наклону кривой (линия В).

субстрата. Таким образом, производительность периодической

мальной производительностью хемостатной культуры [из урав­ нения (5.15)], имеем

где td = 0,693/µm. На практике обычно отношение Хт: Хо= 10

или больше, чем 10. Тогда, если допустить, что ta = О, то мак­

симальная производительность хемостата по крайней мере в

2,3 раза превосходит производительность периодической куль­

туры. Однако ta часто оказывается во много раз больше, чем td,

Следовательно, фракция, которая имеет время удержания

0,050 и 0,015. Фракция, имеющая время удержания большее,

чем t, т. е. от t до оо, будет равна e-Dt. Можно показать [79,

стр. 82], что среднее время удержания всех элементов среды равно 1/D.

5.5. Отклонения от теории хемостата

5.5.1. Проверки справедливости теории

Формы кривых зависимости количества биомассы и концен­ трации лимитирующего рост субстрата от скорости разбавления

являются важным тестом для проверки справедливости теории.

Превосходное соответствие экспериментальных данных простой

теории было продемонстрировано [130] при выращивании KleЬ­ siella aerogenes на минимальной среде с глицерином при лими­ тации ионами аммония. Отклонения от простой теории наблю­

даются во многих системах, и изучение этих отклонений пред­

ставляет собой основной метод определения реакции биомассы

на окружающую ее среду.

Контуа высказал предположение [57], что концентрация ли­

митирующего рост субстрата определяется не только скоростью

роста, но и увеличением концентрации биомассы. Это отклоне­ ние можно объяснить, исходя из выражения Ks= Вх, где х -

концентрация биомассы, а В - некая эмпирическая константа.

Полномочность введения этого изменения в теорию более чем сомнительна, поскольку при вычислении концентраций лимити­ рующего субстрата исходят из предположения, что экономиче­ ские коэффициенты, рассчитанные по источникам углерода и

энергии, постоянны. Однако часто, особенно при высоких кон­

центрациях субстрата, экономический коэффициент падает

(см., например, работу Перта [243]), что, возможно, и является

истинной причиной наблюдаемого Контуа отклонения.

В некоторых случаях отклонения могут быть вызваны при­ сутствием ингибиторов или стимуляторов роста (rл. 17). Часто наблюдаемое отклонение состоr!т в том, что экономический коэффициент представляет собой не постоянную величину, а за­

висит от скорости роста. Одно из отклонений подобного рода

обусловлено энергетическими затратами на поддержание жизни.

Другие отклонения, отражающие роль различных источников

питания, рассматриваются в гл. 12.

5.5.2. Влияние недостаточного смешения

Хорошее перемешивание в хемостате означает, что при до­

бавлении малого объема материала время, необходимое для того, чтобы материал гомогенно распределился по всей куль­ туре, должно быть мало по сравнению со средним временем

удержания, т. е. по сравнению с 1/D.

В лабораторных условиях с сосудами для культивирования небольшого объема действительно можно получить полное сме­

шение при нормальном перемешивании, конечно, при условии,

что в сосуде нет карманов, затрудняющих перемешивание, что

биомасса не прилипает к поверхности сосуда и что культура не имеет повышенной вязкости (разд. 10.2).

Если перемешивание будет недостаточным, то в сосуде будут

области, скорость разбавления в которых будет либо больше,

либо меньше средней скорости разбавления D, равной F/V. Это

означает, что скорости разбавления в различных точках сосуда

будут распределяться вокруг средней D. Соответственно, если D достигнет критического значения Dc, в сосуде будут точки, в ко­ торых D < Dc, и стационарное состояние может поддерживаться при D>Dc. Такие отклонения от теоретического поведения были

названы «эффектом аппаратуры» [130].

5.5.3. Пристеночный рост

Многие организмы могут прилипать к поверхности стекла и

металлов [322]. В непрерывной культуре при длительном вы­

ращивании может наблюдаться так называемый пристеночный рост, который может видоизменяться от тонкой пленки био­

массы до массивного обрастания биомассой поверхности сосуда.

Влияние пристеночного роста на выход биомассы описывает­

ся следующей моделью [322].

Пусть i - стационарная концентрация биомассы в суспен­ зии, Xw - количество растущей биомассы, прикрепляющееся к поверхности сосуда в расчете на единицу объема (пристеноч­

ный рост). В стационарном состоянии баланс по биомассе и лимитирующему рост субстрату имеет вид

56 Глава 5

если подставить (sr- s) ~Sr, х/У~Sr и µ=µа, где µа~ (Dt +

+D2)/2, тогда

(5.28)

А время, необходимое для изменения ст1щионарной концентра­ ции лимитирующего субстрата с s1 на s2, равно 2(s 2 -s1)/

/(D2-D1)sr. Эта приближенная формуJ1а показывает, что для

процессов, при которых § ~ Sr, время подстройки s и х к лю­

бому изменению скорости разбавления будет составлять лишь

некоторую часть времени удвоения биомассы. Мателес и др.

[205]систематически изучали время ответной реакции куль­

туры Escherichia coli на резкое изменение скорости разбавле­

ния в среде с лимитирующей концентрацией аммиака. Они

установили, что при изменении D на 0,1 ч-1 это время незначи­ тельно мало, но при увеличении D на 0,4 ч-1 время, необходи­

мое для подстройки, соответствовало примерно времени трех

удвоений. Это означает, что организм не может без лаг-периода

подстраивать свою скорость роста к резкому сдвигу концентра­

ции субстрата. Согласно теории (гл. 24), этот лаг-период, по­

видимому, представляет собой время, необходимое организму

для изменения содержания нуклеиновых кислот, ферментов и

других соединений до нового стационарного уровня. На прак­

тике желательно производить изменения в скорости роста r1ли

других условиях небольшими скачками и считать, что время,

необходимое для достижения нового стационарного состояния,

равно примерно Зtr.

5.7. Специальные цели хемостатной культуры

Ниже сформулированы три уникальных, единственных в своем роде предназначения хемостатной культуры в деле кон­

троля за ростом и поведением микроорганизмов.

1. Хемостат дает возможность изменять скорость роста био­ массы, не производя в окружающей среде никаких изменений, кроме изменений концентрации лимитирующего рост субстрата.

В простой периодической культуре изменения скорости роста могут быть вызваны только качественными изменениями в со­

ставе питательной среды или количественными изменениями физико-химических условий, таких, как температура или рН. Эти методы изменения скорости роста вносят побочные эффек­

ты, маскирующие действие самой скорости роста. Так, измене­

ние температуры, например, независимо действует и на скорость

роста и на содержание РНК у бактерий.

2. Хемостат можно использовать и прямо с противополож­ ной целью, а именно фиксировать скорость роста при изменении

окружающих условий. Это очень существенно в тех случаях,

когдс1 необходимо отдифференцировать влияние изменения условий окружающей среды и влияние изменения скорости

роста.

3. Хемостат, кроме того, используется для поддержания по­

стоянной скорости роста при лимитирующей концентрации субстрата, 1огда как в периодической культуре рост, лимитиро­ ванный субстратом, можно получить лишь кратковременно,

иричем это сопровождается изменением скорости роста. Данная

функция хемостата расширяет возможный диапазон постоянных окружающих условий и дает возможность изучать не только избыток или истощение лимитирующего рост субстрата, но и

все промежуточные состояния.

В хемостатном методе существенно то, что он упрощает си­

стемы культуры и, следовательно, облегчает как изучение реак­

ций организма на его окружение, так и управление процессами,

протекающими в самих микроорганизмах. Преимущества этого

упрощения приобретают особенно большое значение, когда воз­

никает необходимость в изучении или управлении взаимодей­

ствием двух или более видов.

6) Глава б

двуокиси углерода сопряжено с ростом, то при фиксированной

скорости истечения газа парциальное давление двуокиси угле­

ситуации, характерной для измерения мутности, в данном слу­

чае имеется два возможных стационарных состояния для задан­

~/

Скорость раз6ав.11ения, ч-1

Рис. 19. Парциальное давление двуокиси углерода (Рсо,) в потоке газа, вы•

ходящем из хемостата, как фу1скция скорости разбавления.

Данные для образования биомассы те же, что и на рис. 1'1; конuентратщя лимитирующего

субстрата на входе составляет 1 г/л, скорость потока газа-30 л (л культуры,ч)-1 , х-кои

uентрання биомассы.

насос для подкачки среды включается только тогда, когда Рсо,

превосход11т заданное значение, то устойчивое стационарное

состояние устанавливается при более высокой скорости разбав­

ления. И наоборот, если контроль задан так, что насос вклю­

чается только тогда, когда давление двуокиси углерода падает

ниже заданного значения, при условии, что Рсо, меньше пико­

вого значения, то устойчивое стационарное состояние устанав­

ливается при более низкой скорости разбавления. Таким обра­

зом, в отличие от турбидостатного контроля контроль Рсо, дает возможность осуществлять устойчивый контроль в целой об­ ласти стационарных состояний.

Образование кислот, таких, как молочная кислота, можно

регистрировать с помощью рН-электрода, а это также исполп-