background image

Ćwiczenie „Bioreaktor mikrobiologiczny” 

 

Cel  ćwiczenia:  Wyznaczanie  właściwej  szybkości  wzrostu  oraz  współczynników 
stechiometrycznych na przykładzie szczepu Bacillus licheniformis  wykorzystującego glukozę, 
jako źródło węgla i energii. 

 
Wzrost  mikroorganizmów  to  bardzo  złożony  proces.  We  wnętrzu  komórek  zachodzi 

wiele,  powiązanych  ze  sobą  przemian  enzymatycznych  o  skomplikowanej  kinetyce. 
Uwzględnienie  wszystkich  tych  relacji  stechiometrycznych  i  kinetycznych  jest  bardzo 
skomplikowane,  dlatego  też  do  opisu  wzrostu  mikroorganizmów  wykorzystuje  się  jedynie 
najbardziej istotne zależności występujące w czasie wzrostu danej populacji.  

Wzrost mikroorganizmów można rozpatrywać jako bardzo złożoną przemianę, w której 

tworzona jest biomasa i produkty metabolizmu.  

Jednym  z  najważniejszych  parametrów,  który  określa  szybkość  wzrostu  biomasy 

mikroorganizmów jest właściwa szybkość wzrostu (

µ

) zdefiniowana jako: 

 

   

 

 

 

dt

dX

X

=

µ

1

   

 

 

 

 

 (1) 

 

gdzie:   X-stężenie biomasy [g l

-1

              t – czas [h] 
 

Wartość 

µ

  zmienia  się  w  trakcie  hodowli  okresowej;    jedynie  w  fazie  wzrostu 

logarytmicznego (Rys.1) przyjmuje stałą, maksymalną w danej hodowli wartość.  

 
 

 

 

Rys. 1  Wzrost mikroorganizmów w hodowli okresowej –  przebieg zmiany stężenia substratu 
            i biomasy  w czasie. 

 

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

st

ęż

en

ie 

[g

 l

-1

]

czas [h]

faza zastoju 

faza 

wzrostu 

logarytmicznego 

faza 
stacjonarna 

faza 
obumierania 

substrat 

biomasa 

background image

W  fazie  wzrostu  logarytmicznego  wzrost  podlega  zasadom  kinetyki  I  rzędu  względem 

stężenia  biomasy.  Równanie  (1)  sprowadza  się  do  postaci  (2),  gdzie  właściwa  szybkość 
wzrostu jest odpowiednikiem stałej szybkości reakcji. 

   

 

 

 

X

dt

dX

µ

=

    

 

 

 

 

     (2) 

 
Po scałkowaniu równania (2) dla zakresu odpowiadającego wzrostowi logarytmicznemu 

uzyskuje się zależność:   

   

 

 

 

(

)

1

2

1

2

ln

ln

t

t

X

X

µ

=

  

 

 

 

     (3) 

 

gdzie:   X

1

, X

2

- graniczne stężenie biomasy w obrębie wzrostu logarytmicznego  [g l

-1

             t

1

, t

2

- czasy odpowiadające odpowiednio X

1

, X

2  

[h] 

 
Wartość  właściwej  szybkości  wzrostu  jest  zależna  od  szczepu  mikroorganizmów, 

warunków fizycznych (T, pH, siła jonowa) oraz jest funkcją stężenia substratu (ów) (zwykle 
substratu  węglowego  stanowiącego  główne  źródło  węgla  i  energii,  nazywane  substratem 
limitującym).  Najprostszym,  ale  najczęściej  spotykanym  modelem  opisującym  relację 
właściwej szybkości wzrostu i stężenia substratu limitującego jest model przedstawiony przez 
Monoda: 

   

 

 

 

   

 

 

 

S

S

S

c

K

c

+

µ

=

µ

max

    

 

 

 

 

(4) 

 
  gdzie:   c

-stężenie substratu limitującego[g l

-1

   

K

- stała Monoda  [g l

-1

   

µ

max

 – maksymalna szybkość wzrostu [h

-1

 

Zależność  ta,  analogiczna  do  równania  Michaelisa-Menten,  przedstawiona  jest 
schematycznie  na Rys. 2. 
 
 

 

Rys. 2  Zależność właściwej szybkości wzrostu od stężenia substratu limitującego opisana 
            modelem Monoda. 

 
Stałe  powyższego  równania  kinetycznego  można  wyznaczyć  zarówno  przy 

wykorzystaniu  wyników  z  hodowli  okresowej,  jak  i  z  hodowli  ciągłej.  Realizacja  hodowli 
ciągłej  jest  znacznie  bardziej  skomplikowana,  aniżeli  hodowli  okresowej,  stąd  przynajmniej 
wstępne wartości stałych wyznacza się na podstawie danych z hodowli okresowej.  

µµµµ

c

S

µ

max

 

K

S

 

background image

Przebieg ćwiczenia:  

Badania  prowadzi  się  w  termostatowanym  (37

o

C)  bioreaktorze  wyposażonym                 

w  mieszadło  mechaniczne,  które  zapewnia  pseudohomogeniczność  układu,  przy 
odpowiednim  natlenieniu  hodowli.  Wszystkie  elementy  bioreaktora,  jak  i  pożywka 
poddawane  są  uprzednio  sterylizacji  (121

0

C).    Schematycznie    układ  badawczy 

przedstawiono na Rys. 3.  

 
 
 

 rotametr 

                                                                                                      pobór próbek 
 
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

powietrze 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sterylne 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 

Rys. 3  Schemat bioreaktora mieszalnikowego do hodowli wgłębnej  pracującego w systemie  
            okresowym. 
 

 

 

Sposób przeprowadzenia eksperymentu 

 
Do bioreaktora o pojemności 2,5 dm

3

 wprowadza się 1,5 dm

pożywki  mineralnej

 

składzie na 1 litr: NaNO

3

 3 g, KH

2

PO

4

 3 g, K

2

HPO

4

 6 g, (NH

4

)

2

SO

4

 10 g,  MgSO

4

 0,01 g, MnSO

4

 

0,01  g,  CaCl

2

  0,01  g,  ZnSO

4

  0,001  g,    FeSO

4

  0,001  g,  cytrynian  trójsodowy  1g  i  poddaje 

sterylizacji w autoklawie (121

0

C) przez 1h. Równocześnie w osobnym naczyniu sterylizuje się 

roztwór glukozy (150 g l

-1

).  

Hodowlę  rozpoczyna  się  poprzez  dodanie  odpowiedniej  ilości  glukozy  do  sterylnej 

pożywki  mineralnej,  tak  aby  w  poszczególnych  hodowlach  okresowych  uzyskać  stężenie  
początkowe cukru 1-10 g l

-1

 i zaszczepienie reaktora bezpośrednio z płytki agarowej (2 pełne 

oczka ezy lub hodowli płynnej ok. 5% objętości reaktora).  

 Po  dobrym  wymieszaniu  układu  należy  pobrać  pierwsze  próby  do  analizy  stężenia 

glukozy 

stężenia 

biomasy.

 

Następne 

próby 

pobiera 

się 

odstępach 

kilkudzięciominutowych,  do  momentu  pełnego  wyczerpania  glukozy,  zwracając  uwagę  na 
wysoką częstość poboru prób w fazie wzrostu logarytmicznego.  

Stężenie  komórek  oznacza  się  spektrofotometrycznie  poprzez  pomiar  mętności  (OD) 

hodowli,  przy  550  nm  względem  wody.    Krzywa  standardowa  dla  uzyskana  metodą  suchej 
masy dla Bacillus licheniformis  opisana jest równaniem  A(550nm) =

4,286 

.

 X [g/l], gdzie X-

stężenie  biomasy.  Wszystkie  pomiary  należy  wykonać  przynajmniej  w  dwukrotnym 
powtórzeniu nie przekraczając wartości absorbancji 1,0.  

Stężenie  substratu  węglowego  (glukozy)  oznacza  się    poprzez  test  DNS,  dla  prób 

uprzednio odwirowanych (3000 obr./min, 15 min.).  

background image

 

Do 0,5 ml odwirowanego medium hodowlanego należy dodać 1,5 ml odczynnika DNS 

i  próby  wstawić  na  5  min.  do  łaźni  wodnej  o  temp.  100

0

C.  Następnie  próby  należy  szybko 

ochłodzić,  dodać  8  ml  wody  destylowanej  i  po  25  min  od  wyciągnięcia  z  łaźni  zmierzyć 
absorbancję przy 550 nm względem kontroli. Próbę kontrolną uzyskuje się  poprzez dodanie 
0,5 ml wody destylowanej zamiast 0,5 ml medium traktując następnie próbę kontrolną,  jak 
wszystkie  pozostałe.  Krzywa  standardowa  dla  glukozy  opisana  jest  równaniem  
A(550nm)=0,65 

.

  c

S

  [g/l]  -0,02.  Zakres  stosowalności  równania  0,1-1,6  g  l

-1

.  Jeżeli  stężenie 

cukru  w  próbie  pobranej  z  reaktora  przekracza  1,6  g  l

-1

,  przed  wykonaniem  testu  należy 

rozcieńczyć je  wodą destylowaną odpowiednią ilość razy. 
 

Dla prób odwirowanych oznacza się również spektrofotometrycznie względem wody, 

przy  280nm  stężenie  białka  wytwarzanego  przez  szczep.  Krzywa  standardowa  opisana  jest 
równaniem    A(280nm)  =  0,982 

.

  c  [g/l],  gdzie  c-stężenie  białka.  Wszystkie  pomiary  należy 

wykonać  przynajmniej  w  dwukrotnym  powtórzeniu  nie  przekraczając  wartości  absorbancji 
1,0. 

 

Opracowanie wyników 

 
Wyniki uzyskane w trakcie hodowli zbiera się w formie tabelarycznej (Tab.1), z której 

następnie wykreśla się wykres X=f(t), c

S

=f(t), c

b

=f(t).   

 
Tab.1  Zestawienie wyników analiz podczas hodowli okresowej. 
 

 

Czas 
hodowli 
[h] 

A (550nm) 

rozcień-
czenie 

X        
[g l

-1

DNS(550nm) 

rozcień-
czenie 

c

S

 [g l

-1

A (280nm) 

rozcień-
czenie 

C

b

 [g l

-1

1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
W celu obliczenia wartości 

µ

 sporządza się  dodatkowo wykres pomocniczy (Rys. 4), na 

którym odznacza się odcinek prostoliniowy odpowiadający najwyższej wartości 

µ

.  

 

 
 

Rys. 4    Zmiana stężenia komórek w czasie (wykres logarytmiczny). 

 

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

ln

 X

czas [h]

background image

Dla  przedstawionego  przypadku  uzyskana  ze  współczynnika  kierunkowego  prostej 

(Rys.4)  wartość 

µ

  wyniosła  0,0503  [h

-1

].  Odcinek  prosty  został  wykreślony  ze  stężenia 

biomasy  w  czasie  19-23,5  h  hodowli.  Średnie  stężenie  glukozy  w  tym  przedziale  czasu 
wynosiło 0,581 g l

-1

. Uzyskaną parę punktów (0,581; 0,0503) wraz z analogicznie uzyskanymi 

punktami z kolejnych hodowli okresowych nanosi się  na wykres przedstawiony na Rys. 5. 

 

 

 

    

Rys. 5 Zależność właściwej szybkości wzrostu od stężenia substratu.   
 

 

Po  linearyzacji    równania  Monoda  (równ.(5))  w  prosty  sposób  znajduje  się  wartości 
szukanych stałych (K

s

µ

max

) (Rys.7).  

 
 

 

 

 

(5) 

 

 

 

 

 

 

 

Dodatkowo  ze  zmian  stężenia  komórek,  białka  i  substratu  w  czasie  (opisując  te 

zmiany odpowiednimi równaniami) należy wyznaczyć współczynniki stechiometryczne Y

X/S 

Y

Pr/S

. Należy przyjąć tylko ten zakres, dla którego widoczna jest zmiana stężenia komórek czy 

białka  w  czasie  lub  też  jeżeli  hodowla  jest  skończona  (koniec  substratu,  spadek  biomasy, 
białka) przyjąć czas trwania całej hodowli. Opisanie punktów doświadczalnych równaniami a 
nie liczenie po krańcowych punktach „znosi” błąd analityczny.  

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0

2

4

6

8

10

µ 

[

µ 

[

µ 

[

µ 

[

h

−−−−1111

]]]]

stężenie glukozy [g l

-1

]

max

max

1

1

1

µ

+

µ

=

µ

S

S

c

K