Wzrost mikroorganizmów

Wzrost mikroorganizmów

Jak omówiono w niebieskich/zielonych poziomach tego rozdziału, komórki mikroorganizmów wykorzystują składniki odżywcze do wzrostu, produkcji energii i tworzenia produktów, jak wskazano w następującym wyrażeniu;

Składniki odżywcze + komórki mikroorganizmów >wzrost komórek + energia + produkty reakcji

Rozważmy działanie systemu „Batch” pokazanego na Rysunku 1. Pojemnik ten zawiera początkowo znane stężenie substratu wzrostu S. Pojemnik jest dobrze wymieszany i dlatego stężenie rozpuszczonego tlenu O2 nie staje się czynnikiem ograniczającym dla wzrostu mikroorganizmów. Początkowo do pojemnika dodawane jest znane stężenie X żywych komórek mikroorganizmów (tj. inokulum) i z czasem substrat wzrostu S jest wykorzystywany do wzrostu komórek. Dlatego z czasem będziemy obserwować spadek S (ujemne dS/dt) i odpowiadający mu wzrost X (dodatnie dX/dt).

Rysunek 1. Wzrost mikroorganizmów i wykorzystanie substratów w dobrze wymieszanym zbiorniku wsadowym.
Pozwolenia

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Rysunek 1. Wzrost mikroorganizmów i wykorzystanie substratów w dobrze wymieszanym zbiorniku wsadowym.

Koncepcyjny wykres stężenia komórek mikroorganizmów w funkcji czasu dla systemu wsadowego nazywany jest krzywą wzrostu, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Typowa krzywa wzrostu dla systemu wsadowego
Pozwolenia

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Rysunek 2. Typowa krzywa wzrostu dla systemu wsadowego.

Wykreślając logarytm stężenia żywych komórek, X, z czasem, można zidentyfikować pięć wyraźnych faz krzywej wzrostu; 1) fazę opóźnienia, która występuje natychmiast po inokulacji i trwa do czasu, gdy komórki zaaklimatyzują się w nowym środowisku, 2) fazę wzrostu wykładniczego, podczas której wzrost komórek postępuje w tempie wykładniczym (wskazanym przez linię prostą na wykresie półlogarytmicznym), 3) fazę spowolnienia, gdy podstawowe składniki odżywcze są wyczerpane lub zaczynają się gromadzić produkty toksyczne, 4) fazę stacjonarną, podczas której wzrost netto komórek wynosi w przybliżeniu zero, oraz 5) fazę śmierci, w której niektóre komórki tracą żywotność lub są niszczone przez lizę.

Kinetyka wzrostu drobnoustrojów

Podczas fazy lag dX/dt i dS/dt wynoszą zasadniczo zero. Jednakże, gdy rozpoczyna się faza wzrostu wykładniczego, możliwe jest zmierzenie wartości dX/dt i dS/dt, które są bardzo przydatne do określenia ważnych parametrów kinetycznych mikroorganizmów. Wykorzystując odpowiednie obserwacje dS/dt i dX/dt uzyskane tuż po rozpoczęciu fazy wzrostu wykładniczego na Rysunku 2 możemy obliczyć współczynnik wydajności YXS i specyficzną szybkość wzrostu µ jako:

Współczynnik wydajności

Równanie 1 (1)

Szczególne tempo wzrostu

Równanie 2(2)

Współczynnik wydajności, powszechnie określany jako wydajność substratu do biomasy, jest używany do konwersji między tempem wzrostu komórek dX/dt a tempem wykorzystania substratu dS/dt. Współczynnik wydajności i specyficzna szybkość wzrostu są wykorzystywane do opracowania trzech typów kinetycznych zależności wzrostu mikroorganizmów; Kinetyka Monoda, Kinetyka pierwszego rzędu i Kinetyka zerowego rzędu.

Kinetyka Monoda

Doświadczenie wsadowe pokazane na Rysunku 1 może być powtórzone przez zmianę początkowego stężenia substratu S w szerokim zakresie wartości- skutkując obserwacją indywidualnych wartości µ, które odpowiadają każdemu stężeniu substratu. Wykres arytmetyczny µ vs S będzie wykazywał ogólne zachowanie przedstawione na rysunku 3.

Specyficzne tempo wzrostu wykreślone w odniesieniu do początkowego stężenia substratu w systemie wsadowym.
Permissions

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Rysunek 3. Specific growth rate plotted respect to initial substrate concentration in a batch system.

Najpowszechniej stosowane wyrażenie opisujące specyficzną szybkość wzrostu jako funkcję stężenia substratu przypisuje się Monodowi (1942, 1949). To wyrażenie to:

Równanie 3(3)

Rysunek 4. Pokazuje koncepcyjnie, jak równanie Monoda jest dopasowane do obserwowanych danych dotyczących substratu i specyficznego tempa wzrostu na rysunku 3. Na rysunku 4 widać, że µmax jest maksymalnym zaobserwowanym specyficznym tempem wzrostu, a KS jest stężeniem substratu odpowiadającym 1/2 µmax.

 Równanie Monoda dopasowane do zaobserwowanych danych.
Permissions

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Rysunek 4. Dopasowanie równania Monoda do obserwowanych danych.

Kinetyka Monoda

Łącząc równania 2 i 3 możemy napisać następujące wyrażenie na szybkość zmian biomasy w czasie:

Równanie 4(4)

Podobnie, łącząc równania 1 i 3 możemy napisać wyrażenie na szybkość wykorzystania substratów.

Równanie 5(5)

Kinetyka pierwszego rzędu

Równanie 5 opisuje zależność kinetyczną Monoda dla utylizacji substratu. Z rysunku 4 można zauważyć, że jeżeli S << KS , równanie 5 można przybliżyć jako:

Równanie 6(6)

Równanie 6 opisuje warunek, w którym wykorzystanie substratu jest proporcjonalne do stężenia substratu (tj. pierwszego rzędu w odniesieniu do S).

Kinetyka zerowego rzędu

Podobnie, jeśli S >> KS Równanie 5 można przybliżyć jako:

Równanie 7(7)

Równanie 7 opisuje warunek, w którym szybkość utylizacji substratu jest stałą (tj. zerowego rzędu względem S).

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.