Способ определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК C12M1/36 

2. Устройство для определения оптимальной температуры культивирования микроорганизмов, содержащее ферментер, нагреватель и соединенны последовательно датчик температуры и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повьшения (выхода продуктов биосинтеза, оно снабжено последовательно соединенными тепломером, фазоинвертором.

Изобрете.ние относится к микробиологической промышленности, а именно к способам и устройствам управления процессами культрвирова- ния 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 тепловьщелений qd во времени G ) при поверхностном культивировании микроскопического гриба AspergiEKus 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, непрерьшно 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

поляризованным реле, функциональньм усилителем и исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности, поступающей на нагреватель, и двумя дифференциаторами, причем вход одного из них подключен к выходу фазойнвертора, 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, функциональньм усили телем 8 и исполнительным механизмом 9, служащим для изменения мощ- ости, поступающей на нагреватель 2, и двумя дифференциаторами 10 и 11, причем вход одного из них подключен к выходу фазойнвертора 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. Темпе- ратура также влияет на скорость клеточных реакций, природу метаболизма, пищевые потребности и состав биомассы. При температуре на 10-25 градусов ниже оптимальной скорость роста

приближается к нулю.Быбор оптимальной температуры культивирования микроорганизмов осуществляют на стадии лаг-фазы развития в процессе их культивирования, для чего непрерывно измеряют величину удельной теплопродукции.

Перед началом культивирования ферментер заполняют питательной средой, задают температуру культивиро- ,ванйя, минимальную для данного вида

3

микроорганизмов, и высеивают культуРУ.

На стадии лаг-фазы развития микроорганизмов в процессе культивирования в ферментере 1 возможно выделение или поглощение теплоты, что соответствует экзотической или эндотермической реакции. При экзоте мической реакции в тепломере 5 возникает термо-ЭДС с положительным знаком, а при эндо термической - 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.26), поскольку в соответствии с предлагаемым способом начальную температуру культивирования задают заведомо ниже оптимальной для данного вида микроорганизмов. Поэтому через фазо- инвертор 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, ), 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 повьшается температура, которая измеряется датчиком 3 температуры и фиксируется регистратором 4 (фиг.2а BD).

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

Поскольку биологические системы достаточно инерционны, непрерывное

06300

повьпцение температуры при П

может привести к перегреву культуральной смеси в ферментере 1. При наличии же положительного сигнала на

5 выходе с дифференциатора 11 (фиг.2а, DE) , когда q О, контакты поляризованного реле 7 размыкаются и сигнал с тепломера 5 перестает поступать в функциональный усили10 тель 8 и далее на исполнительный механизм 9. При этом температура культуральной смеси в ферментере 1 остается постоянной величиной.

Если при данной температуре ве)5 личина удельных тепловыделений

достигла нулевого значения, то данная температура культивирования и будет являться оптимальной. Если же отрицательное значение q зай20 мет какое-либо промежуточное значение (меньше нуля) или, достигнув нуля, начнет отклоняться в отрицательную область тепловьщелений, 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 отрицательная величина удельной теплопродукции в лаг-фазе, и является оптимальной для данной культуры.

Пример. Определение оптимальной температуры культивирования проводят для микроскопических грибов: Aspergi2Kus foctidus - при поверхностном способе культивирования; Aspergi tus niger Т-33 - при глубинном способе культивирования. При периодическом поверхностном способе культивирования аэробного плесневого гриба AspergiPEus foctidus - продуцента пектолитических ферментов, используют твердую питательную среду следующего состава: пшеничные отруби 30%, свекловичный жом 69%; сульфат аммония 1%. Влаж- псть питательной среды 66%.

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

35

40

45

50

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 С чет диффузии воздуха через пористую крьш- ку растильной камеры. В процессе культивирования всю теплоту от культуральной смеси отводят через тепломер 5. При равенстве температур культуральной смеси и растильной камеры термо-ЭДС 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 фазоинвертор 6, поступает на в ход 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 рел 7 поступает на функциональный усилитель 8, преобразовывается и пода команду исполнительному механизму увеличить мощность нагревателя 2. При этом температура культуральн-ой смеси и растильной камеры (ферментера) 1 несколько повышается, что фиксируется регистратором 4.

В дальнейшем возможны два вариата срабатывания устройства:

а) температура повьш1ается до такого значения величины удельных . тепловыделений, когда последние из отрицательной величины устанавливаются равными нулевому значению и при дальнейшем культивировании

не снижаются до отрицательной величины. Температура, при которой в лаг-фазе , остается величиной постоянной и будет оптимальной для культивирования данных микроорганизмов. При этом с дифференциатора 11 на управляющий вхбд 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 q по абсолютной величине начнет увеличиваться, то поляризованное реле 7 повторно включится, что приведет к повьшению 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 .

Из анализа фиг.З видно, что при температуре культивирования 35 С

на. кривой удельных тепловыделений (1) имеет место эндотермическая реакция (при температурах ниже 37°С). При температурах.культивирования 37°С и выше эндотермической

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

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

Аналогичные результаты получены и при глубинном способе культивирования гриба AspergiEBus niger Т-33 в 5-литровом ферментере при выращи-. вании на оптимизированной питательной среде.

Таким образом, использование способа определения оптимальной температуры культивирования микроорганизMOB 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 культивирования 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 .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

а

f

F 1

.

, КМл/flKr ACS)

ч « N ,«

r,y

Фиг.3

Св,Ч.

ISO

12SKO

c,«%r;

w

X7

35

.

Составитель Г. Богачева Редактор Н. Егорова Техред Т.ТулиК Корректоре. Шекмар

Заказ 8651/26 Тираж 490 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

t:c