Nøgleforskel – Batch vs Continuous Culture
Mikroorganismer såsom bakterier og svampe er meget gavnlige for forskellige typer industrier. Til industriel brug bør mikroorganismer dyrkes i stor skala under fermenteringsprocessen for at udvinde de nødvendige produkter, der stammer fra det mikrobielle stofskifte. Et særligt apparat kaldet industriel fermenter bruges til at dyrke og vedligeholde mikrobiel biomasse. Det er et stort kar designet til at give plads og nødvendige krav til mikrobiel vækst og metabolisme. Der er to typer industrielle fermenteringskulturer, der almindeligvis anvendes i industrier kaldet batchkultur og kontinuerlig kultur. Den vigtigste forskel mellem batchkultur og kontinuerlig kultur er, at batchkultur er en teknik, der bruges til at dyrke mikroorganismer under begrænset tilgængelighed af næringsstoffer i et lukket system, mens kontinuerlig kultur er en teknik, der bruges til at dyrke mikroorganismer under optimal og kontinuerlig tilførsel af næringsstoffer i et åbent system i industrier.
Hvad er en batchkultur?
Batchkultur er en teknik, der dyrker mikroorganismer i et lukket system, hvor en begrænset mængde næringsstoffer tilføres i begyndelsen. Dette er den mest almindelige teknik, der anvendes i industrier til at fremstille nyttige produkter ved hjælp af mikroorganismer som bakterier og svampe. Mikrobe, der vokser i fermenteringsbeholderen, fermenterer næringsstofferne. Fermentering er en nedbrydningsproces af kulhydrater til alkoholer og syrer af mikroorganismer under anoxiske forhold. I batchkulturteknik tilføres næringsstoffer i begyndelsen, og den særlige mikroorganisme inokuleres i fermenteren. Fermenteringsbeholderen lukkes, og temperaturen og pH-værdien opretholdes for vækst af mikroorganismer. Mikroorganismer vokser indeni og udnytter de tilvejebragte næringsstoffer og andre forhold. Med tiden bliver næringsstofferne begrænsede, og miljøforholdene ændres i fermenteringsbeholderen. Derfor viser mikrobiel vækst forskellige fire stadier såsom lagfase, logfase, stationær fase og dødsfase. Ved afslutningen af gæringen stoppes processen, og nyttige produkter ekstraheres og renses. Fermenteringsbeholderen vaskes og steriliseres før brug til en anden batchkultur.
Specialiteten ved batchkulturteknikken er, at denne køres under begrænsede mængder af næringsstoffer og i en vis periode. Fermenteringsopsætningen er nem at lave og håndtere. Miljøforholdene inde i fermenteren varierer med tiden. Den nødvendige temperatur, pH-forhold, omrøring, tryk osv. opretholdes dog korrekt for at opnå en vellykket produktdannelse.
Batchdyrkningsteknik bruges i vid udstrækning til oprensning af sekundære metabolitter såsom antibiotika, pigmenter osv. Denne teknik er ikke egnet til produktion af primære metabolitter og produkter, der er forbundet med vækst.
Figur 01: Batchkultur
Hvad er en kontinuerlig kultur?
Kontinuerlig dyrkning er en anden teknik, der dyrker nyttige mikroorganismer. Det sigter mod at opretholde en kontinuerligt voksende mikrobiel kultur i eksponentiel fase. Det kan opnås ved løbende at tilføre friske næringsstoffer, fjerne ophobet affald og produkter i samme hastighed og holde andre forhold på de optimale værdier. Det gøres inde i et specielt kammer kaldet kemostat som vist i figur 02. Frisk medium tilsættes kontinuerligt fra den ene ende, mens metaboliske produkter konstant ekstraheres fra den anden ende af kemostaten for at holde kulturvolumenet på et konstant niveau.
Kontinuerlig kultur bruges i industrier, når det er nødvendigt at udvinde nyttige primære metabolitter såsom aminosyrer, organiske syrer osv.fra mikroorganismerne. Primære metabolitter produceres med den højeste hastighed, når mikroorganismerne er i deres eksponentielle fase. Derfor sigter kontinuerlig kultur altid på at opretholde den mikrobielle biomasse i log-fasen. Det gøres ved at overvåge processen løbende og kontrollere systemet.
Figur 02: Kontinuerlig kultur i kemostat
Hvad er forskellen mellem batch- og kontinuerlig kultur?
Batch vs Continuous Culture |
|
| Batchkulturteknik bruges til at dyrke gavnlige mikroorganismer under begrænsede mængder næringsstoffer i en lukket fermentor i en vis periode. Mikrobiel vækst inde i batchkulturen viser en typisk mikrobiel vækstkurve, hvor fire forskellige faser kan identificeres. | Kontinuerlig dyrkningsteknik bruges til at dyrke gavnlige mikroorganismer under optim alt niveau af næringsstoffer i et åbent system, hvor næringsstoffer tilsættes kontinuerligt, og affald og produkter fjernes i samme hastighed for at holde væksten i en eksponentiel fase. |
| Næringsstoffer | |
| Næringsstoffer tilføres én gang, før fermenteringsprocessen påbegyndes. | Næringsstoffer tilsættes mange gange (ved start og mellem processen). |
| Systemtype | |
| Batchkultur er et lukket system | Kontinuerlig kultur er et åbent system. |
| Ophør af proces | |
| Processen med batchkulturen stoppes, efter at produktet er dannet. | Processen stoppes ikke, selvom produktet er dannet. Kontinuerlig fjernelse af produktet udføres uden at stoppe processen i kontinuerlig kultur. |
| Miljøbetingelser | |
| Miljøforholdene inde i batchkulturen er ikke konstante. | Miljøforholdene i den kontinuerlige kultur holdes på konstant niveau. |
| Mikrobiel vækst | |
| Mikrobiel vækst inde i batchkulturen følger lag-, log- og stationære faser. | Mikrobiel vækst opretholdes på optim alt niveau, hvilket er et eksponentielt vækststadium. |
| Omsætningsrate | |
| Omsætningshastigheden er lav, da næringsstofferne og andre forhold er begrænsede indeni. | Omsætningshastigheden er høj, da de optimale niveauer af næringsstoffer og andre forhold opretholdes. |
| Fermenter brugt | |
| En stor fermenteringsbeholder bruges til batchkulturer | En lille størrelse fermentor bruges til kontinuerlig dyrkning. |
| Brug | |
| Batchkulturfermentering er almindeligt anvendt i industrier | Kontinuerlig kulturgæring bruges mindre i industrier. |
| Kulturopsætning | |
| Batchkulturopsætning er nem at lave og køre. | Kontinuerlig kulturopsætning er ikke let at lave og køre. |
| Contamination | |
| Forureninger er minimum i batchkulturer | Sandsynlighed for kontaminering er høj i kontinuerlig kultur. |
| Kontrolmetoder | |
| Kontrolmetoder er nemme og hurtige. | Kontrolmetoder er komplicerede og tidskrævende. |
| Egnethed | |
| Batchkultur er mere egnet til produktion af sekundære metabolitter såsom antibiotika. | Kontinuerlig dyrkning er mere velegnet til produktion af primære metabolitter såsom aminosyrer og organiske syrer. |
Opsummering – Batch vs Continuous Culture
Batchkultur og kontinuerlig kultur er to typer teknikker, der anvendes til at dyrke mikroorganismer i stor skala til industrielle og andre formål. I batchkultur forsynes mikroorganismer med næringsstoffer i begyndelsen og dyrkes. Når mikrober udnytter de tilgængelige næringsstoffer, bliver næringsstofferne begrænset efter en bestemt tidsperiode. Mikroorganismer vokser via lag, log, stationære og dødsfaser. Fermenteringsprocessen udføres batchvis i batchkulturteknik. Efter hver batch renses fermentoren og bruges frisk til næste batch. I kontinuerlig dyrkning forsynes mikroorganismer med tilstrækkelige niveauer af friske næringsstoffer til konstant at holde mikroberne i log-fase for at udvinde primære metabolitter af mikroorganismerne. Volumenet af den kontinuerlige kultur holdes på en konstant værdi ved at tilsætte friske næringsstoffer og fjerne produkter i samme hastighed uden at stoppe processen. Batchkultur er nødvendig i forhold til en stor lukket fermentor, mens kontinuerlig kultur er nødvendig i en lille åben fermentor. Dette er forskellen mellem batch og kontinuerlig kultur.
