Непрерывные процессы.

В непрерывных процессах биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Для этого обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

Различают хемостатный и турбидостатный режимы непрерывного культивирования.

Принцип работы хемостата: в биореактор с постоянной контролируемой скоростью вливают питательную среду, при этом один из компонентов (обычно кислород) поступает в количестве, не достаточном для обеспечения максимальной скорости роста культуры (рис. 49). В результате реактор с биообъектом приобретает свойства саморегулирующейся системы. Например, если скорость разбавления и вымывания биомассы превышает скорость роста клеток, то наступает разбавление культуры свежей средой. Это ведет к повышению концентрации компонента, ограничивающего рост, вследствие чего скорость роста культуры увеличивается. В реакторе начинает концентрироваться биомасса. Увеличивающаяся популяция клеток активно использует субстрат, его концентрация падает, что ведет к торможению роста культуры.

Устройство хемостата:

1) устройство для вливания питательной среды;

2) выпускное приспособление для оттока культуральной жидкости с клетками;

3) система контроля скорости притока.

Рис. 49. Схема лабораторной установки для хемостатной ферментации

1- воздушный фильтр; 2 – емкость для стерильной среды; 3 – питающий и отводящий насосы; 4 – ферментатор; 5 – емкость для кислоты; 6 – пульт контроля и регулирования рН среды; 7 – воздушный фильтр; 8 - ротаметр

Самый простой вариант хемостата включает 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.

Существуют другие типы хемостатов, например, основанные на радиоактивном контроле уровня жидкости; использовании метода взвешивания биореактора; фотоэлектронных устройств и др.

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.

Концентрация клеток может оцениваться по другим критериям: по измерению рН (если в культуральной жидкости образуются органические кислоты), убыли субстрата или накоплению продуктов жизнедеятельности.

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 (рис.50).

Рис. 50. Схема лабораторной установки турбидостата: 1 – фильтр; 2 – насос для подачи среды; 3 – пульт управления насосом; 4 – фотоприемник света; 5 – источник света; 6 – ферментатор

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.

Рис. 51. Ферментер, работающий в турбидостатном режиме

Непрерывное культивирование может быть:

- одностадийным (осуществляется в одном биореакторе);

- многостадийным (осуществляется в последовательно или каскадно расположенных биореакторах).

Многостадийное культивирование дает возможность внедрить принцип дифференцированных режимов, которые одновременно осуществляются в последовательно расположенных аппаратах. Например, в первом из биореакторов создают оптимальные условия для роста культуры, а во втором – для биосинтеза целевого продукта.

При разработке новых биотехнологических процессов первоначально прибегают к периодическому культивированию. Перспективность непрерывных процессов связана с возможностью конвейерного получения больших количеств целевого продукта, а также сокращает затраты рабочего времени на загрузку и разгрузку биореактора, его чистку и мойку. Недостатками непрерывных многостадийных процессов являются более сложные конструкции аппаратов и систем контроля, что ведет к увеличению капиталовложений.

Если сравнивать непрерывные и периодические процессы, то первые дают более высокий выход продукта в единицу времени, однако концентрация продукта всегда бывает ниже. Кроме того, длительное протекание непрерывных биотехнологических процессов ведет к обрастанию труб и стенок биореакторов, особенно при культивировании мицелиальных грибов и актиномицетов.