Рост в хемостате.

Хемостатное культивирование это вариант гомогенного проточного культивирования с заданным коэффициентом разбавления и скоростью роста культуры. Концентрация биомассы задается одним компонентом питания.

При высоком коэффициенте разбавления лимитация (голодание) будет высокой, а ингибирование низким и на оборот. Однако при высокой скорости роста клетки могут быть более чувствительны к ингибитору. В промышленности этот метод применим если известно какой фактор ограничивает рост. Для хемостатной культуры скорость разбавления при неизменных других условиях ровна удельной скорости роста (прирост биомассы в единицу времени) скорость разбавления среды в ферментере в расчете на единицу объема равняется отношению скорости потока к объёму культуры. Обратная величина это время замещения имеющейся среды новой или время пребывания в ферментёре.

Баланс биомассы при стационарном состоянии определяться как разница между изменением кол-ва биомассы = рост – вытекшая биомасса скорость потребление субстрата определяется экономическим коэффициентом или долей потребленного субстрата пошедшего на синтез биомассы.

Хемостат состоит из сосуда-культиватора, в который из особого резервуара поступает с постоянной скоростью питательный раствор. Благодаря аэрации и механическому перемешиванию в культиваторе создаются оптимальные условия для снабжения клеток кислородом и для более быстрого и равномерного распределения питательных веществ, поступаю с новыми порциями раствора. По мере поступления в культиватор питательного раствора из него вытекает культуральная суспензия.

Обозначим объем сосуда через V (литров), а скорость поступления питательного раствора - скорость притока - через f (литров в час); тогда скорость разведения D будет равна f/V.

Величина D, таким образом, отражает объем жидкости, сменяемый за 1 ч. Если бы при запуске хемостата культуры, находящиеся в культиваторе (х [г/л]), не росли, то они вымывались бы из сосуда и скорость вымывания была бы равна

(1)

Плотность культуральной суспензии в сосуде снижалась бы в этом случае экспоненциально:

(2)

Культура в культиваторе растет экспоненциально. Скорость приростаопределяется выражением

(3)

т. е. экспоненциально увеличивается и плотность культуральной суспензии:

х = х₀ –е ^µt (4)

Следовательно, скорость изменения плотности суспензии в сосуде dx/dt

равна алгебраической сумме величин µ x и - Dx:

dx

— = µ х- Dx (5)

Dt

Если скорость роста µ и скорость разбавления D равны, то потеря в результате вымывания клеток и прирост биомассы уравновешивают друг друга, т. е. изменение равно нулю и плотность культуральной суспензии х остается постоянной. Культура оказывается при этом в состоянии динамического равновесия. Экспоненциальное размножение клеток компенсируется другим экспоненциальным процессом, ведущим к уменьшению их числа.

Рост культуры в хемостате контролируется концентрацией субстратов. На таком ограничении скорости роста концентрацией одного из необходимых субстратов (донора электронов, источника азота, серы или фосфора) основана стабильность системы. Если вследствие этого ограничения истинная скорость роста µ оказывается меньше µ _макс (максимальной скорости, достижимой при насыщении субстратом), то скорость разбавления D можно менять в широких пределах без того, чтобы это привело к снижению плотности суспензии. Однако скорость разбавления не должна превышать µ _MaKC. Зависимость константы роста µ от концентрации субстрата описывается кривой насыщения (рис. 5).

Вообще говоря, бактерии способны расти с максимальной скоростью уже при очень незначительных концентрациях субстрата (например, 10 мг глюкозы на 1 л). Только при еще меньших количествах субстрата величина µ зависит от его концентрации. Ту концентрацию субстрата, при которой скорость роста µ достигает половины максимального значения ( µ = µ _Max / 2), обозначают K_s.

Величина K_s наряду с величинами Y и µ _Max - это один из важнейших параметров, характеризующих рост культура в хемостатах.

Рисунок 5 Зависимость скорости роста µ от концентрации субстрата (c_s)

На рисунке 6 показано влияние скорости разбавления D на четыре показателя — плотность суспензии, концентрацию субстрата, время удвоения и урожай клеток. При изменении скорости разбавления D от нуля почти до точки вымывания Dc плотность суспензии меняется незначительно. В этой области бактерии реагируют на повышение D уменьшением времени удвоения. Однако с повышением скорости разбавления (когда увеличивается также скорость притока и уменьшается время удвоения) возрастает урожай клеток. Он достигает максимума при D_m, а при дальнейшем увеличении D резко снижается.

Концентрация субстрата в культиваторе, а следовательно, и в вытекающей из него суспензии при низких скоростях разбавления в довольно широкой области близка к нулю. Лишь тогда, когда скорость разбавления приближается к величине, обеспечивающей максимальный рост, заметная часть субстрата начинает вымываться вместе с клетками; в конце концов концентрация субстрата на выходе становится равной его концентрации в поступающем питательном растворе.

Рисунок 6 Состояния между плотностью суспензии, концентрацией субстрата, временем удвоения и урожаем культуры в условиях динамического равновесия при различных скоростях разведения (D) в хемостате.

Стабильность динамического равновесия культуры в хемостате обусловлена тем, что ее рост лимитирует концентрация какого-то субстрата. Величина µ поддерживается на низком уровне. Хемостат представляет собой саморегулирующуюся систему, простую в работе; если скорость притока достаточно долго остается постоянной, то работа хемостата регулируется автоматически.

Рост в турбидостате. От описанной выше непрерывной культуры в хемостате существенно отличается непрерывная культура в турбидостате. Как указывает само название, работа турбидостата основана на поддержании постоянной плотности культуральной суспензии, или постоянной мутности. Датчик мутности регулирует через управляющую систему поступление питательного раствора. В сосуде для культивирования все питательные вещества содержатся в избытке, и скорость роста культуры приближается к максимальной. Работа с турбидостатами технически сложнее, чем с хемостатами.

ПРОЦЕСС ПОЛНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ основан на исключении перемешивания и применяется для микроорганизмов, не требующих аэрации.

Ферментер представляет из себя трубку, в которую с одного конца поступает среда и посевной материал, популяция начинает рост, и с продвижением по трубке постепенно стареет исчерпывая субстрат и накапливая продукты метаболизма, с другого -отбирается культуральная жидкость в стационарной стадии. Таким образом происходит воспроизведение кривой роста в пространстве. Скорости протока рассчитываются для каждой культуры и среды отдельно

В любом биотехнологическом процессе ключевую роль играет биологический объект, его природа и физиолого-биохимические свойства. Для роста биообъекта нужны: исходный жизнеспособный посевной материал; источники энергии и углерода; питательные вещества для синтеза биомассы; отсутствие факторов, ингибирующих его рост; соответствующие физико-химические условия (рН, температура, аэрация и другие).

Одним из основных показателей, характеризующих адекватность процесса ферментации служит скорость роста продуцента.

Скорость роста (увеличение биомассы) организмов с бинарным делением (большинство микроорганизмов относится к такому типу размножения) в периодической культуре будет пропорциональна концентрации микробной масс.

Продуктивность процесса характеризуется количеством продукта получаемого на единицу объема биореактора (ферментера) в единицу времени. Продуктивность зависит от многих факторов: активности продуцента, коэффициента выхода продукта на единицу потребленного продукта, количества активной биомассы в ферментере и других факторов.

На продолжительность процесса можно влиять в результате изменения ее составляющих, но тут необходимы глубокие знания как самого биологического объекта, так и технологии производства.

Выход продукта или экономический коэффициент – основной показатель эффективности биотехнологического процесса. Он определяется как количество продукта, получаемого из данного количества субстрата.

Данный коэффициент выражает эффективность использования субстрата для поучения целевого продукта, что позволяет определить себестоимость конечного продукта. Этот коэффициент имеет четкий физический смысл, характеризующий степень перехода энергии, заключенной в субстрате, в продукт.

Конечная концентрация продукта должна планироваться с учетом продолжительности процесса и величины выхода продукта. Достижения конечной высокой концентрации продукта оправдано в основном тогда, когда дорогостоящи последующие после ферментации этапы его выделения и концентрирования.

Удельные энергозатраты существенно варьируются в зависимости от схемы процесса ферментации, а также от условий предферментационной подготовки сырья и постферментационных процедур.

Непродуктивные затраты субстрата – это затраты энергии субстрата в приросте биомассы. Они существенно влияют на эффективность и экономику биотехнологических процессов, поэтому важно выявление причин и мест таких трат имеет очень важное значение.

Вывод:Между классической периодической культурой и непрерывной культурой в хемостате имеются принципиальные различия, которые в заключение следует еще раз подчеркнуть.

Периодическую культуру можно рассматривать как замкнутую систему (в какой-то мере подобную многоклеточному организму), которая в своем развитии проходит четыре фазы — начальную, экспоненциальную, стационарную и фазу отмирания (юность, расцвет, старение и смерть). Условия существования культуры во всех этих фазах различны. Автоматическое регулирование в периодической культуре вряд ли возможно. Непрерывная культура представляет собой открытую систему, стремящуюся к установлению динамического равновесия. Фактор времени в ней в известной мере исключается. Для организмов создаются неизменные условия среды. Установка легко поддается автоматическому регулированию

Дата добавления: 2015-07-25