Біотехнологія. Проблеми і перспективи
льтуральной рідини, що містить клітини і продукти їх життєдіяльності. Фундаментальним принципом безперервних процесів служить рівновагу між приростом біомаси за рахунок поділу клітин і їх зменшенням в результаті розведення свіжої середовищем:
де \ i - питома швидкість росту клітин, як і в рівняннях (2) і (3); D - коефіцієнт розведення (швидкість убутку концентрації клітин). Розрізняють хемостатного і турбідостатний режими безперервного культивування.
При хемостатного режимі культивування в біореактор з постійною контрольованою швидкістю вливають живильну середу, один з компонентів якої, часто Ог, надходить в кількості, що не достатній для забезпечення максимальної швидкості росту культури. В цьому випадку реактор з біооб'єктів набуває властивостей саморегульованої системи, автоматично задовольняє рівності (4). Якщо спочатку швидкість розведення і вимивання біомаси перевищує швидкість росту клітин, то настає розведення культури свіжим середовищем. Це веде до підвищення концентрації компонента, що обмежує зростання, внаслідок чого швидкість росту культури збільшується. Як тільки] и перевищить D, в реакторі починає концентруватися біомаса. Подальше збільшення популяція клітин все активніше «виїдає» суб-страт, його концентрація падає, що, в свою чергу, веде до гальмування зростання культури. Таким чином, після серії затухаючих коливань швидкість росту культури стає рівною швидкості її розведення.
Біореактор, що працює в хемостатного режимі культивування, називають Хемостат. Він включає: 1) пристрій для вливання живильного середовища; 2) випускний пристосування для відтоку культуральної рідини з клітинами; 3) систему контролю швидкості протоки.
Один з найпростіших варіантів Хемостат містить насос, постійно нагнітає живильне середовище в біореактор, і випускну трубу, по якій рідина з біореактора випливає, як тільки її рівень піднімається вище горловини цієї труби. Альтернативний варіант - випускна труба входить в порожнину біореактора зверху і нижній обріз її горловини відповідає рівню, вище якого рідина не повинна підніматися. Якщо цей рівень перевищений, надлишок культурального середовища з клітинами відсмоктується насосом, приєднаним до випускній трубі.
Більш точний і в той же час дорогий метод заснований на зважуванні біореактора, який міститься на спеціальну платформу: перевищення допустимої маси свідчить про підйом рідини вище дозволеного рівня і призводить до автоматичної роботи системи відкачування рідини (Lab. Pract. 1985). Використовували також радіоактивний контроль рівня рідини: ізотоп, поміщений на певній висоті над дном апарату, випускає радіоактивне випромінювання, яке по-різному поглинається водною і повітряним середовищем. За інтенсивністю випромінювання, що реєструється приймачем, судять про висоті підйому рідини (К.Г.Федосеев, 1977). В останні роки все більше застосування знаходять фотоелектронні пристрої для контролю рівня рідини в хемостате.
Турбідостатний режим культивування заснований на прямому контролі концентрації біомаси. Найбільш поширене вимір светорассеяния вмісту біореактора з допомогою фотоелемента. Сигнал від фотоелемента управляє швидкістю протоку рідини, в свою чергу визначає швидкість росту культури. Підвищення концентрації клітин і відповідно светорассеяния автоматично призводять до прискорення протоки рідини, разбавляющей культуру, і, навпаки, спад біомаси компенсується уповільненням протоки.
Концентрація клітин може оцінюватися також за непрямими критеріями (по вимірюванню рН, убутку субстрату або накопичення продуктів життєдіяльності). За своєю конструкцією турбідостат відрізняється від Хемостат лише системою контролю швидкості протоки.
Хемостат і турбідостати ефективно діють при різних швидкостях розведення культури. Хемостатного режим успішно застосовуються при малому протоці, коли концентрація клітин змінюється незначно зі зміною його швидкості, що полегшує саморегуліровкі системи. Область функціонування турбідостата - високі швидкості розведення, при цьому відбувається швидке і різке зміна концентрації біомаси у відповідь на зміну швидкості протоки. Це забезпечує своєчасне спрацьовування фотоелемента або іншого датчика, керуючого швидкістю протоку рідини через турбідостат. З технічної точки зору турбідостат може бути застосований лише для одноклітинних організмів (С. Дж. Перт, 1977). При тривалому культивуванні біооб'єкту в турбідостате виникає серйозна проблема, пов'язана з прилипанием клітин до фотоелементу.
При засіву змішаної культури в турбідостате автоматично відбирається найбільш швидко зростаючий вид. Це є перевагою турбідостатного методу, певною мірою оберігає культуру мікроорганізму від зараження сторонньої мікрофлорою. Такий принцип використаний для селекції антибіотикостійких організмів (С. Дж. Перт, 1978).
Безперервне культивування, здійснюване в одному біореакторі, про