25. Открытые и замкнутые ферментационные системы.

Биореакторные системы для выращивания микрорганизмов могут быть классифицированы как "замкнутые" и "открытые". Система рассматривается в качестве замкнутой, когда многие компоненты данной системы не могут быть из нее удалены или добавлены. Так, например, в традиционных однократных (т. е. замкнутых) ферментационных системах все питательные компоненты добавляются в начале ферментации и, как результат этого, скорость роста, находящегося в таких условиях организма, в конечном счете будет снижена до нуля вследствие уменьшения количества питательных веществ или накопления токсических продуктов отхода метаболизма. Системы, функционирующие в таких условиях, называются как batch-системы (замкнутые системы). Большинство современных биотехнологических систем функционируют как batch-процессы, при которых однажды оптимизированные условия обеспечивают максимальное накопление целевого (требуемого) продукта, например, приготовление пива, производство антибиотиков и ферментов и т. п. Модификацией процесса с разовой загрузкой является возобновляемая ферментация (feеdbatch – от feеd-насыщающий), при которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата или для активации процесса. Однако в своей принципиальной основе подобные системы остаются замкнутыми, поскольку у них нет постоянного оттока содержимого. В противоположность этому, ферментационная система, рассматривается как открытая, если ее компоненты ( микроорганизмы и питательные субстраты) могут постоянно добавляться и удаляться из биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или в целевой продукт должна быть точно сбалансирована со скоростью35 поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое состояние метаболических процессов в реакторе.

26. Хемостатные и турбидостатные режимы кулътивирования продуцентов. Основой для изучения и применения систем непрерывного глу­бинного культивирования служит анализ функционирования хемостата.

Хемостат – это система основным регулирующим фактором, которой является постоянный химический состав по одному из лимитирующих рост компонентов, тогда как другие компоненты находятся в избытке.

Схема хемостата: 1 – регулятор подачи; 2- лимитирующий компонент; 3- питательная среда; 4- культуральная жидкость; 5- датчик концентрации.

Хемостатное культивирование представляет собой процесс, при котором в культуру с постоянной скоростью непрерыв­но подается свежая питательная среда, а объем культуры при этом поддерживается на постоянном уровне путем непрерывного отлива части культуральной жидкости.

Хемостатный метод культивирования незаменим в лабораторных исследованиях физиологии микроорганизмов и клеток тканей. В промышленности он применяется при наращивании микробной биомассы, если известно, какой именно фактор ограничивает рост.

Турбидостат – это система основным регулирующим фактором которой служит концентрация микроорганизмов, которая обычно измеряется непосредственно в аппарате физическими методами.

Специальные устройства, основанные на спектрометрии, нефелометрии автоматически устанавливают скорость разбавления, соответствующую заданной концентрации микроорганизмов.

При культивировании микроорганизмов в режиме турбидостата концентрация микроорганизмов поддерживается постоянной посред­ством регулирования оптической плотности культуры. При превы­шении установленной точки включается насос, подающий свежую среду.

Турбидостат представляет собой самую простую из всех хорошо перемешиваемых систем непрерывного перемешиваемых систем непрерывного культивирования. Концентрация клеток при турбидостатном культивировании регулируется постоянной подстройкой скорости поступления питательных компонентов. Принцип работы турбидостата основан на прямом контроле концентрации биомассы. Метод осуществляется с помощью фотоэлемента и основан на измерении светорассеяния содержимого биореактора. Сигнал от фотоэлемента управляет скоростью протока 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 протока.

 По своей конструкции турбидостат отличается от хемостата лишь системой контроля скорости протока. Хемостатный режим используется при малом протоке, когда концентрация клеток меняется незначительно с изменением его скорости. Это облегчает саморегулировку системы. При турбидостатном режиме происходит быстрое и резкое изменение концентрации биомассы в ответ на смену скорости протока.

Это обеспечивает своевременное срабатывание фотоэлемента или другого датчика, управляющего скоростью протока жидкости через турбидостат.

При длительном культивировании биообъекта в турбидостате возможно прилипание клеток к фотоэлементу. При засеве смешанной культуры в нем автоматически отбирается наиболее быстрорастущий вид. В определенной степени это предохраняет культуру микроорганизма от заражения посторонней микрофлорой.

В отличие от хемостата концентрацию биомассы в турбидостате выбирает оператор, а скорость разбавления и соответственно концентрация субстратов поддерживается таким образом, чтобы сохранялся заданный уровень биомассы.

Турбидостатное культивирование осуществляют обычно в тех случаях, когда лимитирующий фактор не известен или в лимитирующих количествах субстрата нет необходимости. Поэтому субстрат добавляется в ферментер в избытке. Избыток концентрации всех компонентов питательной среды делает работу турбидостата стабильной даже при удельной скорости роста культуры близкой к максимальной.

Турбидостат позволяет регулировать систему в широких инервалах концентраций биомассы при скорости разбавления близкой к критической. Именно в этих условиях химостат менее стабилен.