Занятие тема занятия: Регуляция биосинтеза биологически активных веществ в условиях промышленного производства

Хемостатный и турбидостатный режимы культивирования.

При хемостатном режиме культивирования в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, один из компонентов которой, чаще всего кислород, поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры. В этом случае реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы, автоматически удовлетворяющей равенству:

m = Д, где

m - удельная скорость роста клеток;

Д – коэффициент разбавления (или скорость уменьшения концентрации клеток).
Если первоначально скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то происходит разбавление культуры свежей средой, что ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост клеток, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается.
Как только m превысит Д, в реакторе начинает концентрироваться биомасса, при этом увеличивающаяся популяция клеток все активнее «выедает» субстрат, следовательно, его концентрация уменьшается, что в свою очередь, ведет к торможению роста культуры.
В конечном итоге, после серии затухающих колебаний скорость роста культуры становится равной скорости разбавления.
Биореактор, работающий в хемостатном режиме культивирования, называют хемостатом. Он включает:

1. 
   устройство для подачи питательной среды;
   
2. 
   выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости с клетками;
   
3. 
   систему контроля скорости потока.
   

Один из простейших вариантов хемостата содержит насос, постоянно нагнетающий питательную среду в биореактор, и выпускную трубу, по которой жидкость из биореактора вытекает, как только ее уровень поднимается выше горловины этой трубы.
Альтернативный вариант – выпускная труба входит в полость биореактора сверху, и нижний обрез ее горловины соответствует уровню, выше которого жидкость не должна подниматься. Если этот уровень повышен, избыток культуральной среды с клетками отсасывается насосом, подсоединенным к выпускной трубе.
Более точный, но в то же время и более дорогостоящий метод контроля за уровнем жидкости в биореакторе основан на взвешивании ферментера, помещенного на специальную платформу: превышение допустимой массы свидетельствует о подъеме жидкости выше разрешенного уровня, что приводит к автоматическому включению системы откачивания жидкости.
Используют также радиоактивный контроль за уровнем жидкости в биореакторе: изотоп, помещенный на определенной высоте над дном аппарата, испускает радиоактивное излучение, которое в разной степени поглощается водной и воздушной средой. По интенсивности излучения, регистрируемого приемником, судят о высоте подъема жидкости.
В последние годы все большее применение находят фотоэлектронные устройства для контроля уровня жидкости в хемостате.
Турбидостатный режим культивирования основан на прямом контроле концентрации биомассы. Наиболее распространено измерение светорассеяния содержимого биореактора с помощью фотоэлемента. Сигнал от фотоэлемента управляет скоростью потока жидкости, в свою очередь определяющего скорость роста культуры. Повышение концентрации клеток и соответственно светорассеяния автоматически приводят к ускорению протока жидкости, разбавляющей культуру, и наоборот, убыль биомассы компенсируется замедлением притока.
Концентрация клеток может оцениваться также по косвенным критериям (по измерению рН, убыли субстрата или накоплению продуктов жизнедеятельности).
По своей конструкции турбидостат отличается от хемостата лишь системой контроля скорости потока. Хемостаты и турбидостаты эффективно действуют при различных скоростях разбавления культуры.
Хемостатный режим успешно применяется при малом потоке, когда концентрация клеток меняется незначительно с изменением его скорости, что облегчает саморегулирование системы.
Область функционирования турбидостата – высокие скорости разбавления, при этом происходит быстрое и резкое изменение концентрации биомассы в ответ на изменение скорости протока. Это обеспечивает своевременное срабатывание фотоэлемента или другого датчика, управляющего скоростью протока жидкости через турбидостат. С технической точки зрения турбидостат может быть применен лишь для одноклеточных организмов. При длительном культивировании биообъекта в турбидостате возникает серьезная проблема, связанная с прилипанием клеток к фотоэлементу. При засеве смешанной культуры в турбидостате автоматически отбирается наиболее быстрорастущий вид. Это является преимуществом турбидостатного метода, в определенной степени предохраняющим культуру микроорганизма от заражения посторонней микрофлорой. Такой принцип использован для селекции антибиотикоустойчивых организмов.
В промышленности, как правило, применяются реакторы, работающие в режиме хемостата.
Для описания потока в проточном реакторе непрерывного действия удобнее всего использовать распределение частиц, проходящих через реактор, во времени их пребывания в реакторе. В случае проточного реактора полного вытеснения все элементы жидкости проходят через реактор строго упорядоченно, так, что любой данный элемент ни как не перемешивается с элементами, поступающими в реактор до или после него, т.е. отсутствует осевое перемешивание, следовательно, для стационарного состояния проточного реактора с полным вытеснением все порции жидкости, поступающего в реактор, находятся в нем одинаковое время.
Среднее время пребывания:

Τ = , (4)

где V – объем реактора;

F - объемный поток жидкости, поступающий в реактор и вытекающий из него.
Содержимое проточного реактора непрерывного действия с идеальным перемешиванием является полностью однородным, а потому его состав идентичен составу вытекающему из реактора. Питательные вещества, поступающие в реактор, немедленно перемешиваются с его содержимым и находятся в реакторе разное время, но среднее время пребывания для такого реактора определяется тем же соотношением (4).