Способ определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов и устройство для его осуществления

 

1 .Способ определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов , отличающийся тем, что, с целью повышения выхода продуктов биосинтеза, на стадии лаг-фазы развития микроорганизмов задают начальную минимальную температуру культивирования для данного вида микроорганизмов, непрерывно измеряют величину их удельной теплопродукции и при отрицательном значении величины удельной теплопродукции периодически повьшают температуру культивирования до момента достижения удельной теплопродукции нулевого значения, а оптимальную температуру культивирования микроорганизмов устанавливают при нулевом значении удельной теплопродукции. to о Од со

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„, 1206300 у!! 4 С 12 М !/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ)%

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Q г

И

К)

С0

Cb

СФ

CO

1Р (21) 3798760/28-13 (22) 19.07.84 (46) 23.01.86. Бюл. 9 3 (71) Всесоюзный научно-исследова-. тельский биотехнический:институт (72) Е.Ф. Андреев, Г.Б. Бравова, М.А. Казарян, Н.Г. Селиверстова и Л.И. Белая (53) 683.1 (088.8) (56) Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток.

М.: Мир, 1978, с. 165-170.

Вершков Д.С. и др. Лабораторный ферментер АК-10. — Микробиологическая промышленность,1973, 2 (98), с.!8. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ-.

ЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода продуктов биосинтеза, на стадии лаг-фазы развития микроорганизмов задают начальную минимальную температуру культивирования для данного вида микроорганизмов, непрерывно измеряют величину их.удельной теплопродукции и при отрицательном значении величины удельной теплопродукции периодически повышают температуру культивирования до момента достижения удельной теплопродукции нулевого значения, а оптимальную температуру культивирования микро- организмов устанавливают при нулевом значении удельной теплопродукции.

1206300 ществляют на стадии лаг-фазы развиЗ5 тия в процессе их культивирования, 40 дой, задают температуру культивиро,вания, минимальную для данного вида

2. Устройство для определения

4 оптимальной температуры культивирования микроорганизмов, содержащее ферментер, нагреватель и соединенные последовательно датчик. температуры .и регистратор, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения выхода продуктов биосинтеза, оно снабжено последовательно соединенными тепломером, фазоинвертором, Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам и устройствам управления процессами культивирования микроорганизмов.

Целью изобретения является повышение выхода продуктов биосинтеза.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления данного способа; на фиг.2 — принципиальная схема срабатывания устройства для осуществления данного способа; на фиг.3 — теплограммы (кинетики удельных тепловыделений qd во времени С) при поверхностном культивировании микроскопического гриба AspergiBK us

foctidus; на фиг.4 — зависимость образования конечного количества биомассы при различных температурах культивирования гриба Asp. foctidus.

Сущность способа определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов заключается в том, что на стадии лаг-фазы развития микроорганизмов задают начальную минимальную температуру культивирования для данного вида микроорганизмов, непрерывно измеряют величину их удельной теплопродукции и при отрицательном значении величины удельной теплопродукции периодически повышают температуру культивирования до момента достижения удельной теплопродукции нулевого. значения, а оптимальную температуру культивирования микроорганизмов устанавливают при нулевом значении удельной теплопродукции, Устройство, осуществляющее предлагаемый способ, содержит ферментер (растительную камеру) 1,-нагреватель

30 поляризованным реле, функциональньщ усилителем и исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности, поступающей на нагреватель, и двумя дифференциаторами, причем вход одного из них подключен к выходу фаэоинвертора, а выход второго дифференциатора связан с управляющим входом поляризованного реле.

2 и соединенные последовательно датчик 3 температуры и регистратор 4.

Кроме того, устройство снабжено последовательно соединенными тепломером 5, фазоинвертором 6, поляризованным реле 7, функциональным усили телем 8 и исполнительным механизмом 9, служащим для изменения мощ- ности, поступающей на нагреватель

2, и двумя дифференциаторами 10 и

i1, причем вход одного из них подключен к выходу фазоинвертора 6, а выход второго дифференциатора 11 связан с управляющим входом поляризованного реле 7.

Способ осуществляется следующим образом.

- Температура окружающей среды влияет на синтез биомассы, поэтому температура клетки должна стать такой же, как и температура культуральной среды, а значения рН или активность воды в клетке не обязательно должны уравниваться со значениями их во внешней среде. Температура также влияет на скорость кле/ точных реакций, природу метаболизма, пищевые потребности и состав биомассы. При температуре на 10-25 граду-! сов ниже оптимальной скорость роста приближается к нулю.

Выбор оптимальной температуры культивирования микроорганизмов осудля чего непрерывно измеряют величину удельной теплопродукции.

Перед началом культивирования ферментер заполняют питательной срепов ение температуры при qd с 0 может привести к перегреву культуральной смеси в ферментере 1. При наличии же положительного сигнала на выходе с дифференциатора 11 (фиг.2а, DE), когда q — О, контакты поляризованного реле 7 размыкаются и сигнал с тепломера 5 перестает поступать в функциональный усилитель 8 и далее на исполнительный механизм 9. При этом температура культуральной смеси в ферментере 1 остается постоянной величиной.

Если при данной температуре ве15 личина удельных тепловыделений достигла нулевого значения, то данная температура культивирования и будет являться оптимальной. Если же отрицательное значение q зай 0 мет какое-либо промежуточное значение (меньше нуля) или, достигнув нуля, начнет отклоняться в отрицательную область тепловыделений, то отрицательный. сигнал с тепломера

25 5, пройдя через фазоинвертор 6 и дифференциаторы 10 и 11, поступит на управляющий вход поляризованного реле 7, замкнет его контакты, что приведет к дальнейшему увеличению температуры культуральной смеси в ферментере 1, и новая более высокая температура культивирования зафиксируется регистратором 4.

Минимальная температура культивирования, при которой исключается

35 отрицательная величина удельной теплопродукции в лаг-фазе, и является оптимальной для данной культуры.

Пример. Определение опти40 мальной температуры культивирования проводят для микроскопических грибов: Аярег8 0пз foctidus — при поверхностном способе культивирования; Aspergi_#_ us niger Т-33 — при

45 глубинном способе культивирования.

При периодическом поверхностном способе культивирования аэробного плесневого гриба АзрегрiИus foctidus — продуцента пектолитических ферментов, используют твердую пи50 тательную среду следующего состава: пшеничные отруби 307, свекловичный жом 69X сульфат аммония 17. Влажность питательной. среды ббпр.

55 Готовую питательную среду стерилизуют 50 мин в автоклаве при давлении 0,5 ати. Конечная влажность питательной среды 65Х.

3 1206300 микроорганизмов, и высеивают культу-

Ру °

На стадии лаг-фазы развития микроорганизмов в процессе культивирования в ферментере 1 возможно выделение или поглощение теплоты, что соответствует экзотической или эндотермической реакции. При экзотермической реакции в тепломере 5 возникает термо-ЭДС с положительным знаком, а при эндотермической — с отрицательным. Наличие эндотермической реакции в процессе культивирования в лаг-фазе указывает на развитие микроорганизмов при температуре, ниже оптимальной. Случай с экзотермической реакцией не рассматривается (фиг.2б), поскольку в соответствии с предлагаемым способом начальную температуру культивирования задают заведомо ниже оптимальной для данного вида микроорганизмов. Поэтому через фаэоинвертор 6 устройства может проходить только сигнал с отрицательным значением.

Таким образом, при наличии эндотермической реакции, когда величина удельных тепловыделений имеет отрицательное значение, сигнал с тепломера 5, пройдя через фазоинвертор 6, поступает на вход поляризованного реле 7 (фиг.2а, отрезок BD). Одновременно сигнал с фазоинвертора 6, пройдя через первый дифференциатор

10 (фиг. 2а, В D ) и через второй дифференциатор 11 (фиг,2а, В D ), поступает на управляющий вход поляризованного реле 7, где и замыкает его контакты. При этом сигнал, поступивший на вход поляризованного реле 7, проходит через него, поступает в функциональный усилитель 8, преобразуется и подает команду исполнительному механизму на увеличение мощности напряжения, подаваемого на нагреватель.

Тем самым, в культуральной среде повышается температура, которая измеряется датчиком 3 температуры и фиксируется регистратором 4 (фиг.2а, BD).

При повышении температуры в ферментере 1 необходимость в подводимой теплоте снижается, а следовательно, снижается и величина термо-ЭДС, поступающая с тепломера 5.

Поскольку биологические системы достаточно инерционны, непрерывное

06300

Затем в питательную среду высевают споровую культуру гриба.

Термостатированную растительную камеру (ферментер), снабженную нагревателем и датчиком температуры, подвергают химической и тепловой стерилизации, заполняют 20-миллиметровым слоем культуральной смеси и закрывают теплоизолированной пористой крышкой. Камеру устанавливают на тепломер и охлаждают до

28 С, Температуру культуральной смеси измеряют датчиком 3 температуры и фиксируют регистратором 4(одноточечным потенциометром).

Аэрацию осуществляют за счет диффузии воздуха через пористую крышку растильной камеры. В процессе культивирования всю теплоту от культуральной смеси отводят через тепломер 5. При равенстве температур культуральной смеси и растильной камеры термо-ЗДС с тепломера равна нулю.

В процессе роста грибов в лаг-фа-. зе, поскольку температура культивирования установлена в растильной камере ниже оптимальной, возникает эндотермическая реакция.

При этом часть теплоты термостатированной растильной камеры через тепломер подводится к культуральной смеси, и в тепломере 5 возникает термо-ЭДС с отрицательным значением сигнала. Сигнал, пройдя через фаэоинвертор 6, поступает на вход поляризованного реле 7 и одновременно через дифференциаторы

10 и 11 — на управляющий вход поляризованного реле 7. Контакты поляризованного реле 7 замыкаются, и сигнал с входа поляризованного реле

7 поступает на функциональный усилитель 8, преобразовывается и подает команду исполнительному механизму 9 увеличить мощность нагревателя 2.

При этом температура культуральной смеси и растильной камеры (ферментера) 1 несколько повышается, что фиксируется регистратором 4.

В дальнейшем возможны два варианта срабатывания устройства: а) температура повышается до такого значения величины удельных тепловыделений, когда последние иэ отрицательной величины устанавливаются равными нулевому значению и при дальнейшем культивировании не снижаются до отрицательной величины. Температура, при которой в лаг-фазе q =О, остается величиной постоянной и будет оптимальной

5 для культивирования данных микроорганизмов. При этом с дифференциатора 11 на управляющий вход поляризованного реле 7 не будет поступать сигнал и его контакты разомкнутся, что исключит подачу сигнала на исполнительный механизм 9 и температура в растильной камере будет иметь постоянное значение, зафиксированное регистратором 4. б) температура повышается до некоторого промежуточного значения ниже оптимального. В этом случае при положительном сигнале с дифференциатора 11 поляризованное реле

7 отключится, но поскольку вслед за этим отрицательное значение по абсолютной величине начнет увеличиваться, то поляризованное реле 7 повторно включится, что приведет

25 к повышению температуры в растильной камере 1, Включения и выключения поляризованного реле 7 будут происходить до тех пор, пока температура в растильной камере 1 не достигнет оптимального значения, при котором в лаг-фазе q =О.

Из анализа фиг,3 видно, что при

О температуре культивирования 35 С

35 на кривой удельных тепловыделений (1) имеет место эндотермическая реакция (при температурах ниже

37 С). При температурах.культивирования 37 С и выше эндотермической

4О реакции на стадии лаг-фазы не наблюдается (2 и 3).

Данные, представленные на фиг.4, подтверждают, что для данной культуры температура 37 : является on45 тимальной, поскольку при этой температуре максимален выход продукта биосинтеза, Это видно из активности (кривая 1) и максимальной убыли питательных веществ (кривая 2).

50 Аналогичные результаты получены и при глубинном способе культивирования гриба Aspergil us niger Т-33 в 5-литровом ферментере при выращи-. вании на оптимизированной питатель55 ной среде.

Таким образом, использование способа определения оптимальной температуры культивирования микроорганиз7 1 мов и устройства для его осуществления позволяет сократить время выбора оптимальной температуры культивиро вания микроорганизмов до одной ферментации, снизить физические и энергетические затраты, процесс выбора оптимальной температуры культивиро206300 8 вания осуществлять автоматически с учетом конкретных условий для дан1 ной ферментации. Определение оптимальной температуры культивирования на более ранней стадии роста микроорганизмов позволяет увеличить выход продуктов биосинтеза.

1206300 .

150

Тираж 490 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 8651/26

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Составитель Г. Богачева

Редактор Н. Егорова Техред Т.Тулик ° Корректор С. Шекмар