Полунепрерывное культивирование

В полунепрерывных системах полная загрузка и разгрузка ферментера осуществляются однократно, однако в процессе роста культуры часть ее сливается, а освободившийся объем заливается свежей питательной средой, т.е. функционирует отъемно-доливная или сливно-доливная система.

Следовательно, полунепрерывное культивирование характеризуется частотой и объемом сливаемой выросшей культуры и добавлением свежей питательной среды в рабочую емкость ферментера.

Установившиеся режимы полунепрерывного культивирования характеризуются колебанием концентрации микроорганизмов около одной итой же постоянной величиныи относительным постоянством средней удельной скорости роста популяции.

Полунепрерывное культивирование микроорганизмов осуществляется в открытой динамической гомогенной одностадийной системе в любом ферментере для периодического культивирования, оснащенном системой перемешивания и аэрации.

Различные варианты полунепрерывных систем используются в производстве дрожжей, водорослей, антибиотиков, лимонной кислоты и других.

Преимущества периодических и полунепрерывных процессов

Малая стоимость аппарата и системы управления.

Гибкость – возможность наработки в одном биореакторе разных продуктов.

Время культивирования можно произвольно менять.

Процесс меньше подвержен контаминации и мутациям клеток из-за отсутствия протока и относительно малого времени процесса.

Процесс удобен для получения малого количества продукта.

Условия культивирования можно поддерживать в оптимуме как в фазе роста биомассы, так и в фазе биосинтеза продукта, причем оптимальные условия для биомассы и продукта могут быть различны.

Процесс удобен для реализации биосинтеза вторичных метаболитов.

Недостатки периодических и полунепрерывных процессов

Необходимость частого приготовления посевного материала.

Большое непродуктивное время процесса.

В связи с необходимостью частой стерилизации быстрее изнашиваются измерительные приборы (датчики рН).

Производительность по биомассе и целевому продукту часто ниже, чем в непрерывных процессах.

Труднее поддерживать необходимые параметры.

Процесс более опасен для человека (аппарат чаще открывают, моют, что сопряжено с контактом с микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности).

Непрерывное культивирование

В отличие от периодического культивирования в непрерывных процессах питательная среда подается непрерывно, удаление биомассы и продуктов ее жизнедеятельности также осуществляется непрерывно.

По такому принципу организуются 2 разновидности процессов непрерывного культивирования: процессы полного (идеального) смешения, или хемостатные процессы, и процессы полного вытеснения, или тубулярные процессы.

Установившиеся режимы непрерывного культивирования характеризуются постоян-ством концентрации микроорганизмов и удельной скорости роста популяции.

Непрерывное культивирование проводится в открытой динамической системе, которая может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Эта система способна к длительной работе в постоянном установившемся режиме.

Хемостатные процессы непрерывного культивирования
Гомогенные системы идеального смешения

Любой периодический процесс можно перевести в непрерывно-проточный. Непрерывно-проточное культивирование открывает возможности для поддержания постоянных условий роста путем создания такого состава питательной среды, чтобы только один желаемый фактор лимитировал рост. Если в таком процессе плотность популяции определяется химическим составом среды (концентрацией лимитирующего рост фактора), его называют хемостатным культивированием.

Изменяя концентрацию лимитирующего рост фактора, можно изменять плотность популяции, т.е. изменяя скорость разбавления, можно получать режимы, обеспечивающие различную скорость роста популяции. При таком методе, регулируя скорость протока, можно воспроизвести любую точку роста периодической культуры.

При таком способе культивирования нельзя получить устойчивого состояния только при максимальной скорости роста. В хемостате практически можно только приблизиться к максимальной удельной скорости роста, но не достичь ее, потому что такая скорость роста соответствует критической скорости разбавления, при которой биомасса вымывается из ферментера, что является одним из существенных недостатков хемостата.

Для борьбы с данным явлением возможно использовать комплекс «ферментер-сепаратор». В этом комплексе выходящая из ферментера жидкость сгущается на сепараторе, и часть сгущенного потока непрерывно возвращается в ферментер, остальная часть идет как товарный продукт. Осветленная жидкость сбрасывается в стоки. Основными направлениями использования реципкуляции являются: повышение производительности системы непрерывного культивирования и более полное потребление субстрата из среды.

Одностадийный хемостат применяется при необходимости воспроизвести на протоке любую скорость роста клеток, кроме максимальной.

Двухстадийный хемостат позволяет создавать культуры при скорости роста, близкой к максимальной, и определять условия ее повышения. Для этого в первом ферментере ведется культивирование при скорости разбавления, меньшей чем удельная скорость роста, а во второй подается культура из первого.

Особенности двухстадийного хемостата:

1. Вымывания культуры во втором ферментере не происходит из-за непрерывного поступления культуры из первого. Следовательно, концентрация биомассы никогда не сможет стать равной нулю при любой скорости разбавления. Будет возрастать удельная скорость роста клеток и экономический коэффициент.

2. Концентрация субстрата во втором аппарате всегда меньше, чем в первом. Субстрат расходуется из запаса входящего потока. Это имеет значение в тех случаях, когда важен не только выход биомассы, но и ее чистота.

3. Концентрация биомассы во втором аппарате всегда выше, чем в первом (учитывается прирост биомассы).

4. Двухстадийный хемостат часто оказывается удобней для тех процессов, в которых целевым продуктом является не биомасса, а метаболиты.

Турбидостат. В нем подача питательной среды осуществляется по команде фотоэлектрического элемента, регистрирующего оптическую плотность культуры. Скорость разбавления сама устанавливается в соответствии с заданной плотностью популяции. Этим турбидостат отличается от хемостата, в котором фиксируется скорость разбавления, соответственно которой устанавливается концентрация биомассы.

Хотя теоретически взаимосвязь между концентрацией биомассы и скоростью разбавления подчиняется одним и тем же закономерностям в хемостате и турбидостате, методы управления процессами различны. Турбидостат позволяет получать максимальные скорости роста, которые применяются при культивировании клеточных культур, фиксированных в стадии экспоненциального роста. Хемостаты же применяют при скоростях разбавления от самой низкой до только приближающейся к максимальной удельной скорости роста.

В настоящее время разработаны различные варианты непрерывного культивирования микроорганизмов, работающие по принципу турбидостата – pH-стат, оксистат, СО2-стат, теплостат, респиростат, вискозистат и т. д., названия которых соответствуют задаваемому параметру. Любой параметр, который изменяется в периодической культуре и на который существует датчик, может быть использован для управления ростом по типу турбидостата.

Управляющими параметрами могут быть комплексные параметры, например, содержание кислорода и углекислоты в отходящем воздухе, характеризующие дыхательный коэффициент.

 

 

Особенности получения и поддержания культивируемых линий животных клеток.

Культуры животных клеток

Идея о том, что клетки тканей животных можно выделить из организма и затем создать условия для роста и воспроизводства их in vitro, возникла на базе концепции, принадлежащей К. Бернару.

Чуть позже, в 1885 г., Ру показал возможность сохранения вне организма живых тканей на практике. Он в течение нескольких дней поддерживал в жизнеспособном состоянии нервную пластинку куриного эмбриона в теплом солевом (физиологическом) растворе.

. Инкубация клеток сердца куриного эмбриона была начала 17 января 1913 г. Пересев клеток продолжил Эблинг, работая с ними 34 года. Поскольку Каррель был хирургом, весьма сведущим в вопросах асептики, он смог внести существенный вклад в культивирование клеток животных in vitro.

В этот же период был разработан очень существенный подход в технике работы с клетками – трипсинизация – для высвобождения клеток из тканевой матрицы. Впервые клоны клеток в культуре из одиночной клетки были получены Эрлом с сотрудниками в 1948 г.

Первые суспензионные культуры клеток животных, полученные в 1953 г. Оуенсом и сотрудниками, основывались на клетках злокачественных тканей. Это – клетки HeLa, выделенные из раковой опухоли шейки матки человека Игл (1955) систематически исследовал пищевые потребности клеток человека и мыши.

До тех пор, пока в 1961 г. Хейфлик и Мурхед не выделили линию диплоидных клеток человека ( НDС ) WI-38, считалось, что один раз установившаяся клеточная линия имеет неограниченное время жизни. Относительно линии WI-38 было показано, что период ее существования в культуре ограничивается приблизительно 50 генерациями. Перед отмиранием популяции для клеток этой линии характерен феномен старения. Однако при отмирании эти клетки оставались диплоидными и не имели признаков злокачественных изменений.

Предел, или лимит, Хейфлика – граница количества делений соматических клеток. Эта граница была найдена в культурах всех полностью дифференцированных клеток человека и других животных. Максимальное число делений различно в зависимости от типа клеток и еще сильнее различается в зависимости от организма. Для большинства человеческих клеток предел Хейфлика составляет 52 деления.

Последующий этап в истории культивирования диплоидных клеток человека связан с установлением факта, что они являются генетически стабильными и свободными от всех известных латентных и онкогенных вирусов. Поэтому линии диплоидных клеток человека разрешено применять для получения продуктов, предназначаемых для людей. Эта догма остается действующей и в настоящее время, хотя дальнейшие исследования отчетливо показали присутствие в клетках, выделенных из нормальных тканей, потенциальных онкогенов, идентичных тем, которые найдены в таких известных онкогенных вирусах, как вирус саркомы Рауса и вирус саркомы Молони.

В настоящее время практически любые клетки человека и животных могут быть введены в культуру и, тем самым, служить средством и объектом во многих исследованиях. Благодаря культивированию клеток возможности исследования и диагностики расширяются почти беспредельно, так как имеется возможность оценки не только морфологических и биохимических изменений, но и изменений в поведении клеток, их реакции на различные агенты, в том числе и на лекарственные воздействия.

Наиболее часто культивируются следующие элементы:

соединительной ткани – фибробласты;

скелетной – кость и хрящи;

мышечной – скелетные, сердечные и гладкие мышцы;

эпителиальной – печень, легкие, кожа, мочевой пузырь, почки, молочная железа;

нервной – глиальные клетки и нейроны (хотя они лишены способности к пролиферации);

эндокринной системы – гипофиз, надпочечники, клетки островков Лангерганса;

различные типы опухолевых клеток.

12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Получение и культивирование растительных протопластов. Питательные среды и условия. Реверсия растительных протопластов