Хемостатный режим культивирование

Общие принципы хемостата.

Хемостат (рис. 1) представляет собой культуру, в которую с постоянной скоростью непрерывно подается свежая среда, а объем культуры поддерживается при этом на постоянном уровне путем непрерывного отлива части культуры. В идеале перемешивание в хемостате должно быть полным, т. е. капли поступающей в сосуд среды должны немедленно и однородно распределяться по всей культуре.

На практике это означает, что время, необходимое для перемешивания небольшого объема среды в культуре, должно быть значительно меньше, чем время замещения tr, равное V/F, где V — объем, a F — скорость течения среды.

Рассмотрим некую культуру, в которой рост биомассы лимитируется количеством одного-единственного субстрата, а все остальные компоненты среды находятся в избытке. Предположим, что вначале добавления среды не происходит и рост биомассы протекает так же, как и в периодической культуре. Затем, когда начнется поступление среды, рост культуры будет происходить в соответствии с одной из трех возможностей, изображенных на рис. 2. Первая возможность состоит в следующем: скорость вымывания биомассы окажется больше скорости роста и концентрация биомассы будет в результате падать, а концентрация лимитирующего рост субстрата будет стремиться к увеличению до значения sr. Вторая возможность: начальная скорость вымывания биомассы будет точно равна скорости роста. При этом организмы будут расти с их максимальной.

Рис. 2. Три возможных результата в хемостатной культуре, в которой скорость роста биомассы (х) ограничена концентрацией (s) лимитирующего рост субстрата

Поток среды, содержащий лимитирующий рост субстрат в концентрации Sr, включен в момент времени t1.

Различные случаи таковы: 1 — скорость вымывания биомассы превосходит максимальную скорость роста; 2 — скорость вымывания равна максимальной скорости роста; 3—начальная скорость вымывания меньше, чем максимальная скорость роста биомассы.

Вторая возможность: начальная скорость вымывания биомассы будет точно равна скорости роста. При этом организмы будут расти с их максимальной удельной скоростью роста µm. В этом случае установится стационарное состояние, при котором концентрация биомассы и лимитирующего рост субстрата остаются постоянными. Однако такое состояние не будет устойчивым стационарным состоянием, поскольку любое временное изменение условий, влияющее на концентрацию биомассы и субстрата, приведет к непрерывному изменению этих концентраций. Третья возможность осуществится, если скорость вымывания биомассы вначале будет меньше максимальной скорости роста. Тогда концентрация биомассы будет непрерывно увеличиваться. Однако соответствующее уменьшение концентрации лимитирующего рост субстрата приведет к тому, что удельная скорость роста биомассы будет уменьшаться до тех пор, пока скорость роста биомассы не станет равной скорости вымывания.

Рис. 3. Действие временного возмущения стационарных условий в хемостате, если удельная скорость роста биомассы меньше, чем максимальная скорость

х — концентрация биомассы, s—концентрация субстрата.

Дальнейших изменений в концентрации биомассы и лимитирующего субстрата не может быть. В этом случае удельная скорость роста биомассы будет ниже µm и будет определяться скоростью потока среды. Такое стационарное состояние является саморегулирующимся. Последствия возмущений стационарного состояния во времени показаны на рис. 4. Уменьшение концентрации биомассы приведет к увеличению концентрации субстрата, что в свою очередь вызовет повышение скорости роста и обусловит восстановление условий стационарного состояния. Увеличение концентрации биомассы вызовет противоположный эффект.