Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ»

 

Кафедра технологии пищевых производств

 

 

 

 

 

Е.М. Моргунова, Н.А. Шелегова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАСЛИ

 

 

Конспект лекций

для студентов  специальности 1 – 49 01 01

 «Технология хранения и переработки пищевого растительного сырья»

специализации 1 – 49 01 01 04

 «Технология  бродильных производств и виноделия»

дневной и заочной формы обучения

 

 

 Часть 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Могилев 2009

 

УДК 664.8

Рассмотрен и рекомендован к изданию

на заседании кафедры «Технология пищевых производств»

Протокол № _____ от «     »                         2009г.

 

Научно-методическим Советом университета

Протокол № _____ от «     »                         2009г.

 

Составители:

  к.т.н., доцент Е.М. Моргунова

 аспирант Н.А. Шелегова

 

Рецензенты:

К.т.н., доцент  Т.А. Гуринова

 

Начальник отдела технологии ликеро-водочных,

винодельческих и пиво-безалкогольных продуктов

РУП «БелНИИ пищевых продуктов»,

к.т.н., доцент  Т.М. Тананайко

 

Е.М. Моргунова, Н.А. Шелегова

Общая технология отрасли

Конспект лекций для студентов  специальности 1 – 49 01 01  «Технология хранения и переработки пищевого растительного сырья» специализации                         1–49 01 01 04  «Технология  бродильных производств и виноделия» дневной и заочной формы обучения. Часть 1. – Могилев: УО МГУП, 2009.–100с.

 

 

В конспекте лекций даны общие характеристики брожения и его видов, основные характеристики производств, основанных на применении микроорганизмов. Изложены основные закономерности размножения и роста дрожжей и других культур микроорганизмов: стадии развития и способы культивирования;  взаимоотношения микроорганизмов; а также вопросы производственной инфекции и дезинфекции. Даны характеристики ферментов, применяемых в бродильных производствах, их свойства и классификация. Рассмотрены вопросы ферментативного гидролиза крахмала, белков гемицеллюлоз и гумми-веществ. Изложены основы спиртового брожения:   строение, химический состав дрожжевой клетки; характеристики и расы дрожжей, применяемых в бродильных производствах, а также химические реакции, лежащие в основе спиртового брожения.

Конспект лекций может служить источником получения необходимых знаний будущим специалистам бродильных производств.

 

 

 

УДК 664.8

© УО «Могилевский государственный

университет продовольствия», 2009

Содержание

 

Лекция 1 Введение…………………………………………………..……….…………..…………..	4
Лекция 2 Основные закономерности размножения и роста дрожжей и других культур микроорганизмов……………………………………….…………………………………	13
Лекция 3 Основные закономерности размножения и роста дрожжей и других культур микроорганизмов (продолжение)…………………...………………………………….	9
Лекция 4 Ферменты микроорганизмов и зерновых культур……………..………………….……	20
Лекция 5 Кинетика ферментативных реакций……………………………………………..………	27
Лекция 6 Спиртовое брожение…………………………………………………………..….………
Список рекомендуемой литературы………………………………………….…………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 1

введение

1     Общая характеристика брожения. Виды брожения.

2 Характер микроорганизмов, применяемых в бродильных производствах.

3 Краткая характеристика основных производств, основанных на применении микроорганизмов.

 

1 Общая характеристика брожения. Виды брожения

Технология бродильных производств – наука о методах и процессах переработки различных видов сырья в продукты брожения.

Основным и общим процессом в технологии бродильных производств является брожение.

Бродильные производства основаны на жизнедеятельности различных микроорганизмов. Эти производства очень разнообразны и процессы, положенные в их основу, связаны с различными разделами биохимии.

В основе жизнедеятельности живой клетки микроорганизма лежит сложная  совокупность превращений веществ и энергии.

Брожение в широком  смысле слова можно определить как процесс обмена веществ. Это важнейшее специфическое свойство, характеризующее жизнедеятельность микроорганизма. Обмен веществ складывается из двух противоположных процессов: с одной стороны в клетке микроорганизма постоянно идут процессы распада (энергетический обмен) составных частей протоплазмы (диссимиляция), с другой стороны – восстановление (пластический обмен) химического состава клетки за счет веществ, поступающих из внешней питательной среды (ассимиляция). Они между собой взаимосвязаны. При этом образуются различные продукты обмена веществ: этиловый спирт, органические кислоты, СО₂, метан, водород, ацетон и др.

Различают два типа брожения: анаэробное и аэробное.

К первому типу относятся спиртовое, ацетоно-бутиловое и молочнокислое брожение.

Второй тип получил название окислительного брожения. Жизнедеятельность микроорганизмов в этом случае связана с использованием молекулярного О₂, в соответствии с чем и конечные продукты получаются окисленными (лимонная, глюконовая или уксусная кислота).

 

2 Характер микроорганизмов, применяемых в бродильных производствах

В бродильных производствах применяются различные микроорганизмы: дрожжи, бактерии, плесени, которые различаются по строению, размерам, способу размножения, реакции со свободным кислородом, условиям роста, способности воздействовать на различные субстраты. Но они характеризуются некоторой общностью химизма реакций. Производства, основанные на брожении, связаны общностью применяемого сырья и характером технологических процессов.

         Прежде всего, процессы брожения катализируются группой последовательно действующих ферментов, образующихся в микроорганизмах, в результате чего они обеспечивают образование наряду с основными продуктами, также промежуточных и конечных продуктов. Эти сопряженные реакции характеризуются одной общей особенностью: расщепление исходных субстратов и образующихся из них соединений происходит не путем гидролиза, а присоединением молекулы фосфорной кислоты, в результате чего образуются макроэргические фосфатные связи промежуточных продуктов (в виде АТФ), образующихся при распаде сбраживаемого субстрата, богатых энергией, используемой для жизнедеятельности микроорганизма.

          Дрожжи представляют собой одноклеточные грибы, относящиеся к различным семействам. В бродильном производстве  в основном применяются дрожжи семейства Saccharomyceteceae, рода Saccharomyces, подразделяемые на подгруппы, в зависимости от отношения их к сахарам. Дрожжи первой подгруппы сбраживают глюкозу, сахарозу и мальтозу, но не сбраживают лактозу. К этой группе относится большинство промышленных дрожжей: спиртовые – Sac. cerevisiae  рас XII, XV и др.; пивоваренные – Sac. cerevisiae  Froberg,  Sac. carlsbergensis и др.; винные – Sac. vini и др.; хлебопекарные – Sac. cerevisiae рас Томская, 14 и др.

            Все эти дрожжи, используемые в различных отраслях бро­дильного производства, приобрели в результате длительного культивирования характерные признаки, например, глубину выбраживания сусла, образование специфического аромата, способ­ность к низовому и верховому брожению и т.д. По этим признакам они отличаются от дрожжей, встречающихся в природных условиях. Размножаются эти дрожжи почкованием или делением, а при небла­гоприятных условиях дают споры. При этом клетки образуют сум­ки  (аски) с 1-4 спорами, вследствие чего эти дрожжи относят к классу ascomycetes   (сумчатые грибы).

Наряду с дрожжами, широкое промышленное применение нахо­дят плесневые грибы и бактерии.  К плесневым грибам относятся различные роды и виды грибов, но все они характеризуются нитевидным строением тела, называемыми гифами, и специфическим строением плодоносящих органов. Гифы распространяются по по­верхности питательного субстрата или врастают в него, а неко­торые из них поднимаются над поверхностью субстрата, образуя пушистый налет. Размножаются плесневые грибы спорами или конидиями. Отделившиеся конидии или споры грибов, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифа ветвится, образуя мицелий – грибницу. Споры или конидии содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерные окраски. Вид плодоношения и строение плодоносящих органов –   наиболее характерные признаки при классификации плесневых грибов. Плесневые грибы, применяемые для производства  лимонной, глюконовой, янтарной и т.д. кислот относятся к роду аспергиллов (Asp.niger).

Аспергиллы относятся к типичным аэрофиллам, поэтому нормальная аэрация культуры – основное условие получения органических кислот.

Для производства  уксусной, молочной, масляной кислот, а также в  ацето-бутиловом производстве используются бактерии.

Бактериальная клетка по своему строению в основном сходна со строением дрожжевой клетки. Под названием «бактерии» объединяют большую группу лишенных хлорофилла микроорганизмов, часто весьма различных по своим морфологическим и физиологическим признакам.  Бактерии характеризуются микроскопическими размерами (0,2 – 3 мкм). Большинство из них – одноклеточные.

По форме одноклеточные бактерии делятся на три основные группы: коккообразные, правильной шарообразной или эллипсоидной формы.

Многие бактериальные клетки обладают способностью двигаться с различной скоростью с помощью жгутиков и ресничек. В зависи­мости от наличия жгутиков бактерии разделяются на подвижные и неподвижные.

При благоприятных внешних условиях размножение бактерий происходит очень быстро:  их количество может удваиваться че­рез каждые                 20-30 минут. Размножение их происходит главным образом путем деления, образуется перегородка, которая разде­ляет клетку на две части.

При наступлении неблагоприятных условий происходит обра­зование спор.  При наступлении внешних благоприятных условий бактериальные споры прорастают.

Микроорганизмы брожения нашли широкое техническое применение благодаря тому, что они легко культивируются, быстро развиваются в благоприятных условиях, синтезируют большое число ферментов, а получаемые продукты нашли широкое практи­ческое применение.

Можно выделить 3 группы бродильных производств:  

  –  основанные на дрожжах (производство спирта, глицерина, вина, пива, кваса, хлебопекарных дрожжей);

– основанные на применении плесневых грибов (производство лимонной, янтарной, глюконовой  кислот);

          –  основанные на бактериях   (уксусная, молочная, масляная кислоты, ацетон и бутиловый спирт и др.).

К бродильной промышленности относятся ликеро-водочное и безалкогольное производства, которые по характеру сырья и ис­пользуемому технологическому оборудованию имеют сходство с бродильным производством.

 

3 Краткая характеристика основных производств, основанных на применении микроорганизмов

Виноделие  –  наиболее древнее производство, осно­ванное на спиртовом брожении. К основным стадиям приготовления вина из винограда относятся: получение виноградного со­ка, сбраживание его дрожжами, обработка и выдержка молодого вина.

В результате раздавливания винограда и прессования ягод получается сок (сусло) который после осветления путем отста­ивания поступает на брожение. Для сбраживания применяется чистая культура дрожжей. Брожение протекает при температуре 15-25°С и про­должается 14-15 суток. По окончании брожения получается молодое вино, которое снимается с дрожжей и переводится в под­вал на выдержку (хранение). В период хранения вино подвер­гают специальной обработке: доливка, переливка, осветление, купажирование. В зависимости от типа вин выдержка их продол­жается от нескольких месяцев до нескольких лет.

 Пивоварение  –  одно из древних производств, основанное на спиртовом брожении. Основным сырьем служит ячменный сухой солод, т.е. зерно, выращенное в определенных условиях и про­шедшее сушку. Дробленый солод смешивают с водой, эта техноло­гическая операция называется затиранием, а смесь дробленого солода с водой – затором. При затирании в результате ферментативного гидролиза часть сухих веществ затора переходит в раствор. Эти растворимые сухие вещества называются экстрактивными веществами, а водный раствор экстрактивных веществ – суслом. После ферментативного гидролиза затор фильтруют для отделения сусла от нерастворившихся веществ солода. Получен­ное прозрачное сусло кипятят с хмелем, при этом происходит упаривание, ароматизация, стерилизация и осветление сусла. Затем сусло отделяют от хмеля, охлаждают и сбраживают специальными расами культурных дрожжей. Брожение в пивоварении под­разделяется на две стадии: главное брожение и дображивание. Первая стадия характеризуется интенсивностью процесса и сбра­живанием большей части сахара, ведется в закрытых или открытых бродильных аппаратах при температуре  5-10^оС и в зависимости от  концентрации сусла  продолжается 6-10 суток. По окон­чании  главного брожения получается  молодое пиво, еще не год­ное к употреблению. Молодое  пиво перекачивается для дображивания и созревания в закрытые бродильные аппараты, находящиеся в отделении дображивания. Температура   при дображивании и соз­ревании пива около 1-2°С, продолжительность от 21 до 30 суток. Готовое пиво фильтруют и разливают в  различные виды тары.

Производство этилового спирта с момента возникновения и до начала двадцатых годов XX века осуществлялось в промышлен­ном масштабе исключительно биохимическим способом, т.е. посредством брожения.

За последние 50 лет разработан и успеш­но применяется в промышленности синтетический способ получе­ния спирта.

Биохимическим способом перерабатывают разнообразное сырье: сахаросодержащее, крахмалосодержащее, содержащее клет­чатку и отходы сельского хозяйства (солома, подсолнечник, луз­га).

Основные стадии технологии спирта: подготовка сырья для брожения, брожение и выделение спирта.

Наиболее просты подготовительные операции при переработке мелассы. Технологическая схема непрерывного производства спир­та из зерно-картофельного сырья значительно сложнее, чем из мелассы.

Остальные производства проходят по тем же стадиям, т.е. подготовка среды, сбраживание и выделение продукта со своими особенностями. Чтобы иметь представление о бродильных произ­водствах как о развитых отраслях промышленности, необходимо кратко проследить историю развития,

 Пивоварение является также одним из старейших производств. Полагают, что в Вавилоне варили пиво за 7000 лет до н.э. Там бы­ли известны 16 сортов пива и употреблялись для варки пива ячменный солод и пшеница. Там даже существовали законополо­жения, определяющие содержание экстракта в пиве и пену пива. Отсюда приготовление пива было заимствовано Древним Египтом, Перенеей и другими  странами.

Египтяне готовили пиво из ячменя. Умение готовить пиво распространилось из Египта по североафриканским стра­нам, а также на юг, к эфиопам. Эфиопы (абиссинцы) и в нас­тоящее время готовят пиво по древневавилонскому спосо­бу.

Древние греки, воспринявшие цивилизацию от египтян, научились у них  приготовлению ячменного охмеляющего напитка – ячменного вина или пива под названием зитон.

Римляне  издрев­ле употребляли напиток, приготовленный  из ячменя, пшеницы и других злаков и называвшийся ячменным  вином. В I веке до н.э. в Александрии  готовили ячменное пиво, сдобренное ароматическими вещест­вами – так называемый цитос.

Пиво пили в Иберии (древняя Испания), в Югославии и Албании. В I веке до н.э. искусство приго­товления пива перешло из Испании в Галлию (Францию), где оно стало быстро распространятся в народе.

В IX веке пиво получило  довольно широкое распростране­ние в России.

Пиво готовили из солода, но без применения хмеля и оно пред­ставляло собой сброженную сильнокислую бражку. Для придания характерного аромата и вкуса в глубокой древности к пиву при­бавляли различные травы: полынь, люпин, багульник, шафран и др.

Впервые производство охмеленного пива возникло в Сибири и юго-восточной части России, являющейся родиной хмеля. При­менение хмеля является важным открытием, т.к. составляет осно­ву современной технологии пива.

Не смотря на то, что пивоварение и виноделие известно давно, алкоголь, называемый теперь этиловым или винным спиртом, был открыт только в XII веке. Издавна винный спирт получали при пере­гонке вина и называли Spiritus vini, т.е. духом вина.

Первые сведения о получении этилового спирта как спиртно­го напитка в древней Руси приводятся в Вятской летописи XII в. В ХIV веке производство винного спирта получило значительное развитие в Западной Европе и на Руси. В Китае винокурение воз­никло значительно раньше, чем в Европе, приблизительно за 2000 лет до н.э. Этиловый спирт получали сначала путем перегонки на простых кубах с огневым нагревом в виде разбавленных водных растворов и предназначался он в основном для приготовления водки,  называемой хлебным вином (отсюда термин «винокурение»).

Производство  хлебопекарных дрожжей, как самостоятельное производство,  существует сравнительно недавно. Лишь в XVII веке в городах, где были  пивоваренные заводы, стали  применять для разрыхления теста осадочные пивные  дрожжи верхового брожения, до этого применяли исключитель­но хлебные закваски  – остатки теста предыдущей выпечки.

 В первой половине XIX века в технологии пивоварения произош­ло  коренное изменение: на пивоваренных заводах начал внедряться ме­тод низового брожения.  Пивные дрожжи низового брожения не удовлетворяют требованиям хлебопечения. Поэтому возник вопрос о подыскании новых рас дрожжей.

  При этом  было установлено, что  для хлебопечения пригодны дрожжи винокуренного производства, которые  относятся к расам  верхового  брожения. В связи с этим, на некоторых винокуренных  заводах  наряду со спиртом ста­ли  получать хлебопекарные дрожжи. С течением времени изменялась и совершен­ствовалась технология производства: были достигнуты сравнитель­но большие  выходы дрожжей при относительно небольших коли­чествах спирта. Заводы  стали называться дрожже-винокуренными и на них все больше стал выход дрожжей и все меньше – выход спирта. На таких предприятиях стало    невыгодно получать спирт и они стали дрожжевыми.

Таким образом, на протяжении нескольких тесячелетий, ­люди постепенно, путем неустанного наблюдения, научились руково­дить трудно  постигаемыми процессами, происходящими при солодоращении, осахаривании крахмала и брожении, в основном  основываясь на опыте.

Изначально было делом случая получить хороший бродильный продукт.  Вопросы брожения были поставлены на широкий путь исследования, что вскоре дало свои плодотворные результаты как в науке,  так и в технике.

Высокий уровень современной технологии производств, основанных на брожении, достигнут благодаря развитию как технической микробиологии и биохимии, так и энергетики, что позволило создать условия для превращения кустарных  заводов бродильных производств в крупные автоматизированные предприятия.

 

 

 

Лекция 2

           ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕ­НИЯ И РОСТА ДРОЖЖЕЙ И ДРУГИХ КУЛЬТУР МИКРООРГАНИЗМОВ

          1 Стадии развития культур микроорганизмов

          2 Способы культивирования микроорганизмов

           1  Стадии развития культур микроорганизмов

           Культивирование микроорганизмов может быть периодиче­ским и непрерывным.

           При периодическом культивировании микроорганизмы прохо­дят ряд характерных стадий (фаз) развития, закономерно сменя­ющих одна другую в определенной последовательности (рисунок 1). Различают пять основных стадий: лаг-фазу (или началь­ную), экспоненциальную (или логарифмическую), замедленного роста, стационарную и фазу отмирания. Характер этих стадий зависит от физиологического состояния клеток и различных фак­торов среды.

 

I – лаг-фаза; II – экспоненциальная (логарифмическая) фаза;

III – фаза замедленного роста; IV – стационарная фаза;  V – фаза отмирания

Рисунок 1 – Фазы роста культуры

 

 Лаг-фаза (начальная)

            В этой фазе происходит процесс при­способления микроорганизмов к новой среде и окружающим условиям. Увеличения численности микроорганизмов в этой фа­зе не происходит. Продолжительность фазы зависит главным образом от условий предварительного культивирования и от того, насколько пригодна для их роста данная питательная сре­да. В тех случаях, когда источ­ники энергии и углерода в новой среде отличаются от тех, какие имелись в предшествующей куль­туре, адаптация к новым услови­ям может быть связана с синте­зом новых ферментов, в которых ранее не было надобности.

            Длительность лаг-фазы у од­них микроорганизмов в благопри­ятной среде измеряется минута­ми, у других  –  часами.

             Экспоненциальная фаза

             Это фаза интенсивного размножения. В этой стадии клетки размножа­ются с максимальной для данной культуры скоростью. Интенсив­ность деления колеблется в до­вольно широких пределах в зави­симости от вида микроорганизмов и условий роста. В отдельных случаях удвоение числа клеток происходит каждые 20-30 минут.

Если бы эта фаза продолжалась непрерывно, то за несколько часов культура превратилась бы в плотную массу.

В экспоненциальной фазе большинство клеток являются фи­зиологически молодыми и биологически активными. Если такую культуру перенести в другой сосуд, содержащий такой же пита­тельный субстрат, то скорость роста микробов в новой культуре будет такой же, как и в экспоненциальной фазе, –  никакой лаг-фазы не будет. Если же пересев  культуры  производится   в любой другой фазе цикла, кроме экспоненциальной, лаг-фаза той или иной продолжительности всегда имеет место.

Молодые, только что отпочковавшиеся клетки, находящиеся в логарифмической стадии роста, более чувствительны к дейст­вию различных неблагоприятных факторов, чем зрелые и покоя­щиеся. Биохимические особенности, используемые для иденти­фикации микроорганизмов, обычно также наиболее четко выяв­ляются во время логарифмической фазы, что имеет огромное практическое значение для отбора полезных микроорганизмов и дезинфекции.

В связи с тем, что в экспоненциальной фазе роста скорость деления клеток относительно постоянна, эта фаза наиболее удоб­на для определения скорости деления и скорости роста. При изучении влияния факторов среды  (рН, окислительно-восстано­вительного потенциала, температуры, аэрации и   т.п.), а также пригодности различных субстратов следят за увеличением числа клеток или за экстинкцией – условным показателем, характери­зующим мутность клеточной суспензии во время экспоненциаль­ного роста. Экспоненциальная фаза постепенно переходит в фазу замедленного роста.

           Фаза замедленного роста

            В этой фазе при общем нарастании числа клеток начинает увеличиваться продолжительность гене­рации, т.е. скорость размножения популяции постепенно снижа­ется. Это объясняется тем, что через несколько часов после нача­ла логарифмической фазы роста в питательной среде создаются неблагоприятные условия для размножения микроорганизмов: уменьшается концентрация питательных веществ и некоторых необходимых соединений в среде, изменяется рН, часть клеток переходит в состояние покоя и гибнет вследствие различных при­чин. Интенсивность деления клеток снижается, а гибель клеток возрастает, рост числа живых клеток происходит все медленнее.

             Стационарная фаза

Эта фаза наступает тогда, когда абсолютное число клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Число вновь образующихся и число погибающих или переходящих в стадию покоя клеток приблизительно одинаково. На протяжении этой фазы численность популяции не изменяется, скорость раз­множения равна скорости отмирания.

Число клеток в единице объема в стационарной фазе макси­мальное, их размеры становятся близкими к размерам в исходном посевном материале. Это максимальное значение числа клеток является важным характерным признаком каждого микро­организма и зависит от внешних условий.

             Фаза отмирания

В этой фазе скорость отмирания микроорганизмов превышает скорость их размножения. Число живых клеток уменьшается. Уменьшается и суммарная биомасса культуры из-за начавшегося автолиза.  Отмечаются морфологические и физиологические изменения, появляются   инволюционные   (необычные) формы клеток. Фаза отмирания является прямой противоположностью логарифмической фазе.

Если в логарифмической фазе скорость размножения достигает максимума, то в фазе отмирания достигает максимума скорость отмирания, численность микроорганизмов быстро снижается, в живых остается небольшая часть клеток.

Таким образом, в различных стадиях развития культур микроорганизмов изменяется скорость роста их клеток. Одновременно со скоростью роста изменяется и физиологическая активность микроорганизмов. Быстрорастущие клетки потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена гораздо быстрее, чем клетки, рост которых начал замедляться. Первые более отзывчивы на воздействия среды: они легче синтезируют адаптивные, ферменты и обладают меньшей устойчивостью к неблагоприятным внешним факторам (повышенной температуре, осмотическому давлению, ядовитым веществам и др.).

             В процессе роста культуры происходят также изменения ферментного аппарата клеток. В связи с этим некоторые биохимические свойства клеток проявляются в период быстрого роста, другие же, наоборот, в период его замедления и отмирания.

2 Способы культивирования микроорганизмов

              Культивирование микроорганизмов может быть периодическим и непрерывным.

Когда применяют периодический метод культивирования микроорганизмов, то весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют посевной материал и при оптимальных условиях продолжают процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы микроорганиз­мов или продуктов их жизнедеятельности – метаболитов. В ходе периодического культивирования изменяется состав среды: уменьшается концентрация питательных веществ, увеличивается содержание метаболитов. Так, в экспоненциальной фазе роста микроорганизмов питательные вещества среды быстро истощаются и происходит накопление продуктов метаболизма, в результате чего культура переходит в стационарную фазу. Таким образом, при периодическом методе изменяются темп роста, морфология и физиология культивируемого микроорганизма. К тому же возникают технологические трудности – циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и регулирование процесса.

Указанные трудности устраняются применением проточных, непрерывно обновляемых сред, т.е. при непрерывном культивировании, методы которого разработали С. В. Лебедев, А. А. Андреев, Н. Д. Иерусалимский и другие ученые. Из непрерывных методов лучше всего разработан так называемый метод глубинной ферментации. Характерным для этого метода является то, что клетки микроорганизмов суспендированы в питательной среде и находятся во взвешенном состоянии. При этом методе в ферментатор с культурой микроорганизма – продуцента непрерывным потоком поступает свежая питательная среда, а из него непрерывно вытекает готовая культуральная жидкость вместе с клетками введенной культуры микроорганизма.

При непрерывном культивировании можно задержать культуру на любой стадии развития и заставить клетки непрерывно размножаться с соответствующей скоростью по экспоненциальному закону.

Методом непрерывного культивирования широко пользуются при лабораторных исследованиях, на стендовых и полузаводских установках, а также на ряде заводов различных отраслей промышленности (пищевой, микробиологической, медицинской).

В лабораторных и стендовых исследованиях для непрерывно­го культивирования микроорганизмов применяют два различных типа аппаратов: турбидостат и хемостат. Каждый из них имеет сосуд - культиватор, в котором объем жидкости сохраняется по­стоянным с помощью специального дозатора. Содержимое сосу­да аэрируется (исключая случаи с анаэробными культурами). Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культи­ваторе создаются оптимальные условия для снабжения кислородом и более быстрого и равномерного распределения питатель­ных веществ, поступающих с новыми порциями раствора. По мере поступления в культиватор питательной среды из культи­ватора вытекает культуральная жидкость. Оба аппарата разли­чаются способом, с помощью которого контролируется рост культур.

Для поддержания культуры в состоянии максимальной ско­рости роста   применяется турбидостат, т.е. аппарат, в котором подача питательной среды регулируется в зависимости от количества биомассы. При использовании турбидостата зада­ется постоянная плотность микробной популяции, или постоян­ная мутность микробной суспензии, и соответствующая скорость разбавления устанавливается автоматически, посредством регу­лирующего устройства. Фотоэлемент, измеряющий мутность, через систему реле регулирует поступление свежего питательно­го раствора в сосуд - культиватор. Как только плотность популя­ции отклонится от заданного уровня, приток среды соответствен­но ускоряется или замедляется.

В хемостате задается определенная скорость протока свежей питательной среды. Здесь плотность биомассы устанавливается в зависимости от концентрации лимитирующего вещества в культуральной жидкости.

Наиболее устойчиво работает хемо­стат в пределах скоростей протока, малых по сравнению с мак­симальной удельной скоростью роста культуры.

Если необходимо выращивать микроорганизмы при максимальной скорости, следует использовать турбидостат, поскольку он точнее работает в очень узкой области степеней разбавления, близкой к низшему пределу, или «точке вымывания».

Хемостат позволяет изучать клетки микроорганизмо… Продолжение »