Способ определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 2 М /36 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ ОБРЕТЕНИЯ Я г фиг ф фф сР ЬСТВ(56) Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978, с, 165-170.Вершков Д.С. и др. Лабораторный ферментер АК. - Мнкробиологичес" кая промышленность,1973, 2 (98), с.8. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. ОПИСАНИЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕ ЯО, 1206300(57) 1. Способ определения оптимальнойтемпературы культивирования микроорганизмов, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повьппения выходапродуктов биосинтеза, на стадиилаг-фазы развития микроорганизмовзадают начальную минимальную температуру культивирования для данноговида микроорганизмов, непрерывноизмеряют величину их удельной теплопродукции и при отрицательном значении величины удельной теплопродукции периодически повьппают температуру культивирования до моментадостижения удельной теплопродукциинулевого значения, а оптимальнуютемпературу культивирования микро-организмов устанавливают при нулевомзначении удельной теплопродукции.1206300 ществляют на стадии лаг-фазы развиЗ 5 тия в процессе их культивирования,40 дой, задают температуру культивиро,вания, минимальную для данного вида 2. Устройство для определения оптймальной 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 биосинтеэа, 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.З - теплограммы (кинетики удельных тепловыделений цб во времени С) при поверхностном культивировании микроскопического гриба АзрегдхИ пз Тосдйцэ; на фиг.4 - зависимость образования конечного количества биомассы при различных температурах культивирования гриба Азр. ЙоссЫпв.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 5 1 О 15 20 25 30 поляризованным реле, функциональньщусилителем и исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности, поступающей на нагреватель,и двумя дифференциаторами, причемвход одного из них подключен к выхо.ду фаэоинвертора, а выход второгодифференциатора 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 11, 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 культу- ральной 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 градусов 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 среповь цение температуры при Чб с 0может привести к перегреву культуральной смеси в ферментере 1, Приналичии же положительного сигнала навыходе с дифференциатора 11 (фиг.2 а,РЕ), когда Ч -О, контакты поляризованного реле 7 размыкаются исигнал с тепломера 5 перестаетпоступать в функциональный усили тель 8 и далее на исполнительный механизм 9. При этом температуракультуральной смеси в Ферментере 1остается постоянной величиной.Если при данной температуре ве личина удельных тепловыделенийдостигла нулевого значения, то данная температура культивированияи будет являться оптимальной. Еслиже отрицательное значение 1 зай мет какое-либо промежуточное значение (меньше нуля) или, достигнувнуля, начнет отклоняться в отрицательную область тепловыделений,то отрицательный сигнал с тепломера 25 5, пройдя через Фазоинвертор 6 идифференциаторы 10 и 11, поступитна управляющий вход поляризованногореле 7, замкнет его контакты, чтоприведет к дальнейшему увеличениютемпературы культуральной смеси вферментере 1, и новая более высокаятемпература культивирования зафиксируется регистратором 4.Минимальная температура культивирования, при которой исключается 35отрицательная величина удельнойтеплопродукции в лаг-фазе, и является оптимальной для данной культуры.П р и м е р. Определение оптимальной температуры культивированияпроводят для микроскопических грибов: Аярег 80 цз ЙосГЫця - приповерхностном способе культивирования; Лярег 8 Ыцз пВег Т- при 45глубинном способе культивирования.При периодическом поверхностномспособе культивирования аэробногоплесневого гриба АярегВИцз Госг- Йця - продуцента пектолитическихферментов, используют твердую питательную среду следующего состава:пшеничные отруби 307, свекловичныйжом 697; сульфат аммония 17. Влажность питательной среды ббпр. 55 Готовую питательную среду стерилизуют 50 мин в автоклаве при давлении 0,5 ати. Конечная влажностьпитательной среды 653. 3 1206300микроорганизмов, и высеивают культуРуфНа стадии лаг-фазы развития микроорганизмов в процессе культивирования в ферментере 1 возможно выделение или поглощение теплоты,что соответствует экзотической илиэндотермической реакции. При экзотермической реакции в тепломере 5возникает термо-ЭДС с положительнымзнаком, а при эндотермической - сотрицательным. Наличие эндотермической реакции в процессе культивирования в лаг-фазе указывает наразвитие микроорганизмов при температуре, ниже оптимальной. Случайс экзотермической реакцией нерассматривается (Фиг.2 б), посколькув соответствии с предлагаемым способом начальную температуру культивирования задают заведомо нижеоптимальной для данного вида микроорганизмов. Поэтому через Фаэоинвертор 6 устройства может проходить только сигнал с отрицательным значением.Таким образом, при наличии эндотермической реакции, когда величинаудельных тепловыделений имеет отрицательное значение, сигнал с тепломера 5, пройдя через фазоинвертор 6,поступает на вход поляризованногореле 7 (фиг.2 а, отрезок ВР). Одновременно сигнал с фазоинвертора 6,пройдя через первый дифференциатор110 (Фиг.2 а, В Р ) и через второйдифференциатор 11 (фиг,2 а, В Э ),поступает на управляющий вход поляризованного реле 7, где и замыкаетего контакты. При этом сигнал,поступивший на вход поляризованногореле 7, проходит через него, поступает в функциональный усилитель 8,преобразуется и подает командуисполнительному механизму на увеличение мощности напряжения, подаваемого на нагреватель.Тем самым, в культуральной средеповышается температура, которая измеряется датчиком 3 температуры иФиксируется регистратором 4 (фиг,2 а,ВЭ).При повышении температуры в Ферментере 1 необходимость в подводимойтеплоте снижается, а следовательно,снижается и величина термо-ЭДС,поступающая с тепломера 5.Поскольку биологические системыдостаточно инерционны, непрерывное06300 12 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-фазе, 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 отрицательнойвеличины. Температура, при которойв лаг-фазе и =О, остается величи)ной постоянной и будет оптимальной5 для культивирования данных микроорганизмов. При этом с дифференциатора 11 на управляющий вхдд поляризованного реле 7 не будет поступатьсигнал и его контакты разомкнутся,что исключит подачу сигнала на исполнительный механизм 9 и температура в растильной камере будет иметьпостоянное значение, зафиксированное регистратором 4.б) температура повышается до некоторого промежуточного значенияниже оптимального. В этом случаепри положительном сигнале с дифференциатора 11 поляризованное реле2 О 7 отключится, но поскольку вследза этим отрицательное значениепо абсолютной величине начнет увеличиваться, то поляризованное реле 7повторно включится, что приведет25к повышению температуры в растильной камере 1,Включения и выключения поляризованного реле 7 будут происходитьдо тех пор, пока температура в растильной камере 1 не достигнет оптимального значения, при которомв лаг-фазе с 1=0.Из анализа фиг,3 видно) что приОтемпературе культивирования 35 С35 на кривой удельных тепловыделений(1) имеет место эндотермическаяреакция (при температурах ниже37 С). При температурах.культивирования 37 С и выше эндотермической40 реакции на стадии лаг-фазы не наблюдается (2 и 3).Данные, представленные на фиг.4,подтверждают) что для данной культуры температура 37: является оп 45 тимальной, поскольку при этой температуре максимален выход продуктабиосинтеза, Это видно из активности(кривая 1) и максимальной убыли питательных веществ (кривая 2).50 Аналогичные результаты полученыи при глубинном способе культивирования гриба Азрег 8 Ииз пьдег Т в 5-литровом ферментере при выращи-.вании на оптимизированной питатель 55 ной среде.Таким образом, использование способа определения оптимальной температуры культивирования микроорганиз7 1 мов и устройства для его осуществления позволяет сократить время выбора оптимальной температуры культивирования микроорганизмов до одной ферментации, снизить физические и энергетические затраты, процесс выбора оптимальной температуры культивиро 206300 8вания осуществлять автоматически с учетом конкретных условий для данной ферментации. Определение оптимальной температуры культивирования на более ранней стадии роста микроорганизмов позволяет увеличить выход продуктов биосинтеза.1 г 06300ф/ел ставитель Гхред Т.Тулик ачева Коррект Н. Егорова Шекм едак Заказ 865 еССР 4/5 Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 Фили Тираж 490 ВНИИПИ Государствен по делам иэобрет 113035, Москва, Ж, Подписи о комитета й и открыти ушская наб,