С.Дж.Перт

ная скорость роста во второй стадии при всех скоростях раз­

бавления поддерживается почти на максимальном уровне

( <j: 0,94 µm). Другая особенность состоит в том, что в широком

диапазоне скоростей разбавления концентрация биомассы до­ вольно постоянна, т. е. устойчива, несмотря на высокую скорость

роста.

Влияние изменения скорости притока свежей среды во вто­ рую стадию (Do2) при фиксированной скорости потока культуры из первой стадии во вторую (D12) показано на рис. 24. В отли­ чие от простого хемостата (рис. 13) концентрация биомассы во второй стадии падает постепенно, хотя скорость роста фактиче­

ски максимальна.

Врассмотренной выше системе аппаратов предполагалось,

что ответная реакция организмов на изменение концентрации

лимитирующего рост субстрата при переходе из первой стадии

во вторую происходит без лаг-периода. Однако известно, что при

большом скачке скорости роста вверх организмам требуется

значительный лаг-период, чтобы достигнуть новой скорости ро­ ста (разд. 5.6). С другой стороны, скачок скорости роста вниз

едва ли требует лаг-периода при подстройке новой скорости

роста, хотя и здесь могут быть переходные состояния в содер­

жании РНК, а также других компонентов в биомассе.

6.4.2.Система с одним потоком без возврата

Воднопоточной системе среда подается лишь на первой ста­ дии батареи. Таким образом, в двухстадийной системе, показан­

ной на рис. 22, Do2 = О и D12 = D2. Тогда уравнение (6.26) при­

µ2 ~ О, если скорость разбавления в первой стадии близка к

Критическому значению или там присутствует ингибитор.

6.4.3. Применение

:Конструкция лабораторного оборудования для системы двух­

стадийных хемостатов была описана Каллоу и Пертом [40].

В однопоточной системе, когда рост лимитирован поступлением

единственного лимитирующего субстрата, использование бата­ реи хемостатов практически не дает никаких преимуществ

для получения биомассы. Почти во всем диапазоне возможных

скоростей разбавления лимитирующий рост субстрат будет

w oo

Следовательно,

(6.33)

Уравнение (6.33) такое же, как для кр,итической скорости раз­

бавления в ферментере полного вытеснения (разд. 4.6.3). Пауэлл

и Лов [268] на вычислительных машинах рассчитали концен­

трацию биомассы (хе), получаемую в последней стадии батареи

из пяти хемостатов с возвратом биомассы. На рис. 26 пока­

заны результаты, полученные Пауэллом и Ловом при сравнении концентраций биомассы, вытекающей из батареи хемостатов,

одиночного хемостата и из идеального ферментера полного вы­

теснения - все с возвратом биомассы. Очевидно, что при малых

значениях а и больших значениях Ь в батарее хемостатов можно получить более полную утилизацию лимитирующего субстрата

почти во всем диапазоне скоростей разбавления, чем это воз­

можно для один:очного хемостата.Это преимущество тем боль­ ше, чем ниже исходная концентрация субстрата. Пауэлл и Лов

установили также, что при малых исходных концентрациях суб­ страта максимальная производительность по биомассе в батарее хемостатов может превосходить производительность одностадий­

ного хемостата с возвратом биомассы. Эти результаты также

свидетельствуют о том, что даже в случае батареи из пяти

хемостатов система хорошо приближается к идеальной культуре

полного вытеснения.

Многостадийный хемостат с возвратом биомассы описали

Китай и др. [ 170]. Система представляет потенциальный инте­

рес в связи с возможностью преобразования в биомассу очень

разбавленных субстратов, а также как средство для реализации

культуры полного вытеснения.

Глава 7

ОТМИРАНИЕ КЛЕТОК В РАСТУЩИХ КУЛЬТУРАХ

7. I. Определение понятия мертвых и покоящихся клеток

Микроорганизмы, которые в условиях окружающей среды, подходящих для роста, теряют способность к росту, должны

быть либо мертвыми, либо покоящимися клетками. Отметим

существенную разницу между этими двумя понятиями: покоя­ щиеся клетки в определенных условиях могут регенерировать в

нормальные растущие клетки или их «вегетативные» формы, а мертвые клетки не могут. Примерами покоящихся форм слу­

жат споры бактерий и грибов и цисты простейших. Образование

покоящихся форм, как правило, представляет собой свойствен­ ный некоторым родам процесс, продолжительность которого длиннее, чем минимальное время удвоения у вегетативных форм.

Такое изменение типа клеток в чем-то аналогично дифференци­

ровке тканей у высших животных и растен,ий, хотя было бы

неоправданно заходить в этой аналогии слишком далеко, и

дифференцировки тканевых клеток здесь мы касаться не будем. Модель процесса дифференцировки бактерий с образованием

спор рассматривается в разд. 18.5.

Отмирание микроорганизмов может происходить при воздей­ ствии неблагоприятных факторов, таких, как высокая темпера­ тура, токсические соединения, истощение, или «ошибки» в авто­ синтезе. В растущей культуре покоящиеся и мертвые клетки ведут себя одинаково, не внося никакого вклада в рост попу­

ляции.

7.2.Скорость отмирания

7.2.1.Отмирание клеток в периодической культуре

Предположим, что скорость отмирания пропорциональна

числу жизнеспособных клеток (Yv).

Тогда

где k - удельная скорость отмирания, величина постоянная.

Скорость роста живой популяции дается уравнением

Если Yv = ~Ут, где ~ - часть жизнеспособной биомассы, то из баланса для общей популяции клеток (Ут) имеем

Общий рост= Рост - Выход.

Это означает, что

Итак, еслп µ имеет максимальное значение µm, то из уравнения

(7.15) минимальное значение части жизнеспособной биомассы

(~) в стационарном состоянии будет выражаться равенством

7.3.Отмирание клеток во время деления

7.3.1.В хемостатной культуре

Внекоторых случаях отмирание клеток в культуре наблю­

дается даже в оптимальных для роста условиях. Объясняется

это, возможно, тем, что для индивидуальной клетки существует определенная вероятность оказаться мертвой при делении, веро­

ятно, в результате ошибок при автосинтезе. Предположим, что

некоторое число (Yv) клеток растет и, поделившись, образует

2yv новых клеток, из которых 0-я часть жизнеспособна. Тогда в каждой новой генерации образуется 20yv жизнеспособных кле­

делении 50 клеток из образующихся 100 клеток 99 оказываются жизнеспособными, то индекс выживаемости составляет 0,99 и вероятность выживания новой клетки будет такой же. Отсюда

клеток увеличивается.

Чтобы получить баланс для живых клеток, отметим, что в

популяции Yv живых организмов число клеточных делений в

малый интервал времени dt составляет µyvdt. Число образовав­ шихся новых организмов равно 2µ0yvdt, где 0 - индекс жизне­ способности, а µyvdt старых организмов погибает в процессе деления. Баланс для живых клеток в хемостате будет иметь

вид:

Общее увеличение= Число образовавшихся клеток -

-Число клеток, погибших при делении - Выход.

Следовательно,

Если живая часть общей популяции равна ~. мы можем подста­

Кроме того, минимальное значение ~. как и для случая отмира­

ния клеток из-за неблагоприятных условий среды, дается урав-·

нением (7.17).

7.3.2. В периодической культуре

Появление мертвых клеток при делении в периодической

культуре моделируется следующим образом. Если 0 - индекс жизнеспособности, число жизнеспособных клеток, присутствую­ щих в популяции после п генераций, будет выражаться равен­

ством

(7.23)

где Ущо) - исходное число живых клеток. Уравнение числа

мертвых клеток, накопившихся после п генераций, имеет следу-