Крупномасштабные ферментации

21.06.2014

Любая аэробная ферментация требует теснейшего контакта микроорганизма, питательных веществ и воздуха. В лаборатории это обеспечить нетрудно, но при увеличении масштабов ферментации все труднее поддерживать хорошую аэрацию. Кроме того, экономика крупномасштабного производства требует, чтобы ферментация занимала возможно меньше места. Метод ферментации на полутвердых средах разработан, чтобы отвечать этим требованиям при поверхностной культуре микроорганизмов. В тех случаях, когда предпочтение отдается разведению микроорганизмов в жидкой среде при погруженной культуре, применяют глубинную ферментацию.

Ферментация на полутвердых средах

При ферментации на полутвердой среде микроорганизмы выращивают в жидкой питательной среде, абсорбированной на поверхности мелких частиц носителя. Так достигается большее отношение площади поверхности к объему и создается в сравнительно небольшом объеме большая поверхность раздела системы жидкость — газ. При этом типе ферментации в качестве носителя обычно используют пшеничные отруби, хотя применялись также молотая кукуруза, арахисовая мука, овсяная или рисовая полова, мука из семян хлопчатника и люцерновая мука. Иногда применяют неорганические носители, например вспученное вулканическое стекло, диатомовую землю, вермикулит и пемзу. Поскольку влажные отруби склонны образовывать комки, снижая эффективность аэрации, их часто смешивают с неорганическим носителем. Органические носители часто поставляют питательные вещества для ферментации, одновременно служа поглощающей основой. Отруби — превосходный источник крахмала и белка — в течение многих лет использовались для ферментации с амилазой и протеиназой.
При типичной ферментации на полутвердых средах отруби, воду и соответствующий питательный раствор смешивают и стерилизуют струей пара, затем среду инокулируют суспензией спор, культурой на ферментированных отрубях или глубинной культурой патогена. Влажность конечной смеси доводят водой до 50—70%. В начале ферментации через отруби пропускают воздух с относительной влажностью от 80 до 100%, чтобы обеспечить аэрацию, не иссушая отруби. Температуру воздуха тщательно контролируют, поскольку этим регулируется и температура ферментации. После должного периода ферментации влажный воздух заменяют сухим для постепенного высушивания отрубей и прекращения ферментации. Когда влажность отрубей снизится примерно до 4%, производится их сбор.
Ферментация на полутвердых средах процесс недорогой, а оборудование простое и доступное. Абсолютная стерильность при этом не необходима.
Однако те же факторы, которые удешевляют этот процесс, ограничивают возможность контролирования процесса ферментации. Для максимального выхода клеток или продукта требуется обычно точное регулирование различных стадий ферментации. По этой причине для большинства современных ферментаций используются описанные ниже глубинные способы.
Отделение продукта при ферментации на полутвердых средах осуществимо лишь в том случае, если продукт растворим в соответствующем растворителе и его легко извлечь из ферментированной среды. Однако для некоторых целей очищенные материалы не требуются, если можно использовать активность конечной биомассы. Тогда достаточно высушить и размолоть ферментированные отруби. Общая стоимость производства таких материалов очень низка.
Более подробное описание процесса ферментации на полутвердых средах имеется у Ундеркёфлера и Хикки и у Прескотта и Данна.

Глубинная ферментация

При современных методах ферментации используются чистые культуры, диспергируемые в жидких средах. В лабораторных исследованиях колбы встряхивают на качалках, жидкость взбалтывается, и таким образом поверхность раздела системы жидкость — газ увеличивается для газообмена, улучшая аэрацию. При исследованиях на опытных установках и при крупномасштабном производстве используются глубокие чаны. Их емкость колеблется от 5 л в лабораторной модели до 200 000 л на заводах. Воздух подается со дна чана. Погруженные турбинные крыльчатки тщательно перемешивают воздух, среду и микроорганизмы. Водяные рубашки или охлаждающие змеевики регулируют температуру. Пенообразование в ферментерах предотвращается добавлением таких нерастворимых жидкостей, как масла, полигликоли и силиконовые пеногасители, поступление которых необходимо точно регулировать с помощью автоматических устройств, потому что пеногасители снижают скорость поглощения кислорода.
Поддержание стерильности во время ферментации исключительно важно при глубинном процессе. Воздух необходимо фильтровать, чтобы предупредить попадание загрязняющих организмов. Устройства для встряхивания, контроля pH и добавления пеногасителей сконструированы с расчетом на стерилизацию на месте с гарантией от введения загрязнителей. Среды и другие компоненты обычно стерилизуют нагреванием. Кроме инокулята, все, что вводят после стерилизации, должно быть стерильным, и пробы следует отбирать лишь через клапаны, стерильность которых обеспечивается струей пара.
При глубинной ферментации для инокуляции используют культуру, которую выращивают в постепенно увеличиваемых объемах среды, сначала в колбах на качалках, затем в небольших ферментерах. Пересевы производят в стерильных условиях, в период энергичного роста микроорганизма. Для инокуляции промышленного ферментера используют 0,1—10% (по объему) готового инокулума, в зависимости от потребностей микроорганизма. В течение всей ферментации ведется строгий контроль температуры, аэрации, pH и ценообразования. Иногда для максимальных сборов продукта приходится в ходе ферментации изменять ее условия.
Отделение конечного продукта при глубинной ферментации часто затруднительно, поскольку в большом объеме ферментационной жидкости содержится лишь небольшое количество нужного материала. Если продукт нерастворим, как, например, сам микроорганизм, то для его отделения можно применять фильтрование или центрифугирование. В противном случае можно применять экстрагирование растворителем, осаждение или адсорбцию на смолы, древесный уголь или другие подобные материалы. Стоимость ферментации и отделение конечного продукта выше, чем при ферментации на полутвердой среде. Ho выход при глубинном процессе обычно выше, и, кроме того, продукт можно концентрировать, что с избытком компенсирует большие затраты.