Bakterite kasvu kirjeldamine

1

• Bakterite kasvu kirjeldamine
• Bakterite kasvu kirjeldamisel kasutatakse
  keemiliste reaktsioonide kirjeldamise aluseid
• Keemiliste reaktsioonide kirjeldamine
• Stöhhiomeetria elementide jäävuse seadus
• Kineetika - massitoimeseadus
• Termodünaamika tasakaal, reaktsioonide suund
  ja energeetika (Gibbsi valem)
• Rakkude kasvu mõistmiseks on tähtis aru saada ka
  ensüümreaktsioonide kineetikast, aga kõige
  tähtsam on mõista rakkude definitsiooni

2
Rakud - biopolümeeridest ehitatud isepaljunevad,
diferentseeruvad ja erifunktsioone täitvad
mikroskoopilised mullreaktorid
BIOPOLÜMEERID ISEPALJUNEVAD
DIFERENTSEERUVAD
ERIFUNKTSIOONE TÄITVAD
(MULL)REAKTORID
Prokarüootsed rakud bakterid - 1µm
Eukarüootne rakk - gt10µm
3

• Miks rakud (organismid) peavad isepaljunema -
  eksisteerivad vaid need, kes paljunevad vähemalt
  sama kiiresti kui surevad sest pole vigade
  paranduse mehhanisme
• Rakutsükkel - koordineeritud sündmuste ahel, mis
  tagab rakkude paljunemise
• Rakutsükli põhifaasid
• DNA replikatsioon (kopeerimine)
• kõikide teiste polümeeride kopeerimine
• raku jagunemine
• Rakkude paljunemise, rakkude kasvukiirus sõltub
  keskkonnatingimustest kasvusubstraatide
  kontsentratsioonidest, temperatuurist, pH-st jne

4
Sünkroonne vs. asünkroonne rakukultuur
Sünkroonne kasv (teoreetiline) N 2n, n
pooldumiste arv
Asünkroonne kasv (tegelik) N N0eµt µ - kasvu
kiirus

NB! Ka üks rakk kasvab ja pooldub
isepaljunemine on eksponentsiaalse kasvu põhjus
(võrdle keemiliste reaktsioonidega
massitoimeseadus)
5
Rakkude kasvu kultuuris kirjeldavad rakkude
kasvukõverad rakkude arvu (biomassi) muutust
ajas kirjeldavad kõverad
6
Rakkude kasvu kineetikat kirjeldab
eksponentsiaalne funktsioon (eksponentsiaalse
funktsiooni juurdekasv on proportsionaalne
funktsiooni väärtusega)
kus N rakkude arv, mitte rakkude
kontsentratsioon, t aeg, µ - biomassi kasvu
(eri)kiirus
, kui
siis
kui

,
td pooldumisaeg (kahekordistumisaeg võrdle
pooldumisaeg füüsikas ja keemias)
7

• Rakkude paljunemise ja keemiliste reaktsioonide
  erinevus NB!
• Raku, rakukultuuri, biomassi kasv vs. aine
  muundumine
• Biomass mõõdetakse grammides. Võidakse kasutada
  ka rakkude arvu ja muid füüsikalisi suurusi, mis
  on võrdelised biomassiga (OD).
• Kuiv biomass
• polümeerne koostis,
• monomeerne koostis,
• elementkoostis CHNOPS, CH1,8O0,5N0,2P0,09S0,005
  C-molaarne esitus
• Biomass (elav biomass?) sisaldab 30 kuivainet.
  
• Märg biomass, tsentrifuugitud biomass sisaldab
  umbes 20-25 kuivainet
• Kasvusubstraadid kasvukeskkonnas leiduvad
  ained, mis on vajalikud rakkude kasvuks (vaata
  raku elementkoostis)
• Limiteeriv substraat kasvusubstraat, mis
  limiteerib rakkude kasvu, limiteerimise mõiste
  leiab analüüsimist hiljem

8
C-molaarne esitus Põhiline erinevus keemiliste
reaktsioonide stöhhiomeetrilistest
võrranditest Biomassi molekuli pole olemas
9
Me peame rakkude kasvu kirjeldamise juures
arvesse võtma, et kasvades rakud tarbivad
kasvusubstraate (limiteerivat substraati). S,
(S1, S2,) X Limiteeriv substraat
määrab kasvukiiruse Monod võrrand
X
kus S limiteeriva substraadi kontsentratsioon,
KS konstant, mis iseloomustab bakterite
afiinsust limiteeriva substraadi suhtes, µmax -
maksimaalne kasvu erikiirus. µmax ja KS
väärtused sõltuvad mitmetest teguritest
mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonidest, pH-st, temperatuurist -
µmaxf(pH,T, mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonid...), samuti KSf(pH,T,
mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonid...)

10
Rakkude kasvu pärast kasvusubstraatide
arvessevõtmist (rakukultuuri) kirjeldavad
järgmised parameetrid X, S (S1, S2, , Sn), P
(X biomass, S limiteeriv substraat, S1,
S2,... mittelimiteerivad substraadid, P
produkt) Rakkude kasv sõltub ka pH-st ja
temperatuurist. Rakukultuuri kasvu kirjeldavad
kasvukõverad biomassi ja substraadi ajas
muutuvad kõverad vt. jooniseid järgmistel
kiledel Viime sisse saagisekoefitsiendid YXS ja
YPS
näitab, kui palju biomassi moodustub tarbitud
limiteeriva substraadi ühiku kohta, näitab, kui
palju produkti moodustub tarbitud limiteeriva
substraadi ühiku kohta
Bakterite kasvul tekivad kõrvalproduktid
metanool, etanool, atsetaat, valgud (sh.
rekombinantsed) antibiootikumid. Need
kõrvalproduktid on tavaliselt bakterite
kultiveerimise (mikrobioloogilise sünteesi
protsesside) sihtproduktid.
11
Rakkude kasvu stöhhiomeetriline võrrand
X1CHmOn X2O2 X3NH3 ? ? X4CHaOßN?
X5CHaOßN? X6CO2 X7H2O
Saagisekoefitsiendid konstandid, kui
stöhhiomeetriline võrrand ei muutu
näitab, kui palju biomassi moodustub tarbitud
limiteeriva substraadi ühiku kohta, näitab, kui
palju produkti moodustub tarbitud limiteeriva
substraadi ühiku kohta
Süsiniku, lämmastiku, fosfori allikas, hapnik,
biomass, produktid, CO2
12
Limiteeriva substraadi kasutamise ja produkti
sünteesi võrrandi tuletamisel kasutatakse
saagisekoefitsientide definitsioone
YPX näitab, kui palju produkti sünteesitakse
ühiku biomassi sünteesi korral. NB! siin on
tegemist kasvuga seotud substraadi sünteesiga.
Eelmisel slaidil toodud võrrandisüsteemi
integreerimine annab meile rakukultuuri kasvu
kirjelduse (teoreetilise mudeli) Rakke
iseloomustavad µmax, KS, YXS, YPS jne. Nende
parameetrite väärtused sõltuvad rakkude
ainevahetuse iseärasustest. Need parameetrid
iseloomustavad kasvavaid rakke kvantitatiivselt.
13
Bakterite kasvu, limiteeriva substraadi ja
tekkivate produktide hulga muutumist ajas
kirjeldab järgmine võrrandisüsteem
14
Me peame rakkude kasvu kirjeldamise juures
arvesse võtma, et kasvades rakud tarbivad
kasvusubstraate (limiteerivat substraati). S,
(S1, S2,) X Limiteeriv substraat
määrab kasvukiiruse Monod võrrand
X
kus S limiteeriva substraadi kontsentratsioon,
KS konstant, mis iseloomustab bakterite
afiinsust limiteeriva substraadi suhtes, µmax -
maksimaalne kasvu erikiirus. µmax ja KS
väärtused sõltuvad mitmetest teguritest
mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonidest, pH-st, temperatuurist -
µmaxf(pH,T, mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonid...), samuti KSf(pH,T,
mittelimiteerivate substraatide
kontsentratsioonid...)

15
Mikroobide kasv sõltub nii temperatuurist kui
pH-st
16

• Üldine eesmärk
• Kirjeldada ja ennustada kvantitatiivselt rakkude
  käitumist erinevates kasvutingimustes
• Raku kasvuruum

17
Konstantide tüüpväärtused
(Cmole/Cmole g/g (umbes sama))
18
Monod võrrand on analoogne Michaelis-Menteni
võrrandiga Miks?
19
Rakukultuur teatud kindlal viisil kasvatatud
(kasvavad) rakud. Monokultuurid, segakultuurid,
ka ökosüsteemid Mikrobioloogilise sünteesi
protsessid toimuvad rakukultuurides
20
Rakukultuur on teatud kindlal viisil kasvatatud
rakud. Tegelikult on rakukultuure väga erinevaid
ja enamikul juhtudel nende käitumise
kvantitatiivne kirjeldamine niisama lihtne ei
ole. Mõned näited
Selliste mikroorganismide segakultuuri kasvu pole
tegelikult peaaegu et võimalik kvantitatiivselt
kirjeldada
21
Komposter
22
Kui rakud kasvavad sellistes reaktorites on nende
kasvu numbrilise kirjeldamisega samuti suuri
probleeme põhiliseks probleemiks on
kasvutingimuste (pH, T, substraatide
kontsentratsioonid jne) raskestikontrollitavad
muutused ja heterogeensus erinevates reaktorite
osades on erinevad kasvutingimused
23
Kergem on kirjeldada rakukultuuride kasvu
fermentaatorites. Seetõttu rakufüsioloogilistes
uuringutes ja tööstuslikes tootmisprotsessides
eelistatakse kasutada fermentaatoreid -
bioreaktoreid
24
Bioreaktorites on võimalik kasvutingimusi väga
hästi ja täpselt hoida
25
Rakkude kasvatamiseks sobivad bioreaktorid on
küllalt keerulised seadmed, aga rakkude
füsioloogiat iseloomustavaid numbrilisi konstante
saab mõõta ainult bioreaktorites. Samuti
eelistatakse bioreaktoreid tootmisprotsesside
läbiviiimisel, eriti kallite produktide puhul
(rekombinantsed valgud, antibiootikumid,
aminohapped jms)
26
pH elektroodid
Kontroller võrdleb etteantud pH väärtust
(set-point) tegelikuga ja sõltuvalt mõõdetud pH
väärtusest lisab kas hapet või leelist
pH on üks põhilisemaid parameetreid, mida
bioreaktorites kontrollitakse. Negatiivse
tagasiside põhimõte.
27
Multifunktsionaalne kontroller
Nagu pH-d, nii on võimalik kontrollida ka pO2
kasutades hapnikuelektroode ja kontrollerit, mis
töötab negatiivse tagasiside põhimõttel
28
Rakukultuur teatud kindlal viisil kasvatatud
(kasvavad) rakud. Monokultuurid, segakultuurid,
ka ökosüsteemid Mikrobioloogilise sünteesi
protsessid toimuvad rakukultuurides
29

• Korralikult optimeeritud mikrobioloogilise
  sünteesi protsessides (rakukultuurides) on
  kontrollitavad järgmised komponendid
• rakutüvi (µmax, KS, YXS, YPS jne)
• rakkude säilitamine
• kasvukeskkonna koostis (limiteeriv substraat,
  pH, mittelimiteerivad substraadid)
• protsessi alustamiseks vajaliku inokulumi
  ettevalmistamine
• fermentaatori valik (bioreaktor, aga ka
  komposter jne)
• kultiveerimisviisi valik põhiviisid
  perioodiline (batch), poolperioodiline
  (fed-batch), kemostaat, turbidostaat, A-staat,
  aukso-aktselerostaat jne
• down-stream protsessing sihtprodukti
  eraldamine
• GMP (Good Manufacturing Practice head
  tootmistavad), GLP (Good Laboratory Practice -
  head laboritavad), TQM (Total Quality Management
  kvaliteedi kindlustamise süsteem), ISO9000,
  ISO14000...
• Protsesside majandusanalüüs

30
Mikrobioloogilise sünteesi protsesside
klassifikatsioon (mitte ainuvõimalik) Ühetüve
protsess mitmetüve protsess spontaansed
protsessid (kontrollitud koostis) Steriilsed m
ittesteriilsed Aeroobsed anaeroobsed Batch fed
-batch läbivoolukultuurid Kontrollitud spontaan
sed Vedelkultuurid segakultuurid tahkefaasilised
Korralikult optimeeritud mikrobioloogilise
sünteesi protsessi optimeerimine ja
realiseerimine on väga keeruline
tegevus Rakufüsioloogilised uuringud, kus
selgitatakse välja nende kvantitatiivsed
kasvukarakteristikud ning seos rakusisese
metabolismiga on samuti keeruline tegevus Mõlemat
tuleb tõsiselt õppida
31

• Põhilised kultiveerimisviisid (kultuurid) on
• perioodiline kultuur e. annuskultuur (batch
  culture),
• söötme lisamisega perioodiline kultuur
  (fed-batch culture)
• pidevad kultuurid e. läbivoolukultuurid
  (continuous culture)
• kemostaat
• turbidostaat
• auksostaat
• A-staat
• auksoaktselerostaat,
• ...

32
Perioodiline (batch) kultuur (annuskultuur) Kõige
lihtsam ja kõige rohkem kasutatav (siiani) kultuur
Perioodiline kultuur (batch culture) on kultuur,
kus rakud kasvavad kultiveerimise alustamisel
(fermentaatorisse) kaasapandud söötmetel.
Perioodilise kultuuri alustamisel lisatakse
reaktorisse peale söötme, mis sisaldab
kasvusubstraate ka inokulum algkogus rakke.
Perioodilises kultuuris on söötmetel konstantne
ruumala ja temperatuur, söötme pH varieerub
(tihti) kultiveerimise käigus. Inokulum on 10-30
lõppsaagisest, Xmax 1030 g/l
33
Perioodilises ehk annuskultuuris kirjeldatakse
bakterite kasvu ja limiteeriva substraadi hulga
muutumist ajas järgmise võrrandsüsteemiga
34
Perioodilises ehk annuskultuuris kirjeldatakse
bakterite kasvu ja limiteeriva substraadi hulga
muutumist ajas järgmise võrrandsüsteemiga
35
Biomassi kasvukõver ja kasvufaasid
annuskultuuris 1 lag-faas, 2 üleminekufaas, 3
eksponensiaalse kasvu faas, 4 ülemineku faas,
5 statsionaarne faas, 6 autolüüs
36
Bakterite kasvukõver annuskultuuris biomassi
mõõdetakse OD (optilise tiheduse) kaudu, glükoos
on limiteeriv substraat
37
Glütserooli fermenteerimine atsetaadiks,
1,3-propaandiooliks, n-butüraadiks ja atsetaadiks
(joonisel puudub biomassi kasvu kõver)
38

• Batch, ehk annuskultuuris saavutatakse tavaliselt
  biomassi lõpptihedused 10-30 g/l
• Annuskultuuri eelised
• kultuuri realiseerimise lihtsus võimalik väga
  lihtsate vahenditega
• paljude paralleelide võimalus
• Annuskultuuri puudused
• kasvutingimuste heterogeensus nii reaktoris kui
  ajas, kui kasutatakse
• kolbe vms.
• kasvutingimused muutuvad ka siis, kui suudetakse
  vältida segamise ja
• massiülekande protsessidest tingitud
  heterogeensust annuskultuuris
• kasvav kultuur on ise ajas erinevates seisundites
  annuskultuuris muutub
• rakkude füsioloogiline seisund, kuigi suurema osa
  ajast kasvavad rakud
• kasvusubstraadi küllastuskontsentratsioonil (vt.
  Monod võrrand)

39
Fed-batch kultuur Alustatakse annuskultuurina.
Kui algselt lisatud sööde on otsa lõppenud,
lisatakse värsket söödet, kas portsjonidena või
pidevalt. NB! läbivoolu ei ole kultuuri ruumala
muutub. Niimoodi õnnestub pikendada
eksponentsiaalse kasvu faasi (vt. järgmine
kile) Fed-batch kultuuris on võimalik suurendada
kultuuri lõpptihedust võrreldes annuskultuuriga
kultuuri lõpptihedus võib olla 50-150 g/l
(võrrelge pulgapärmiga pulgapärmis on kuivaine
sisaldus 30) Fed-batch kultuuri kasutatakse
laialt pärmi tootmiseks, samuti teistes
tööstuslikes protsessides. Fed-batch kultuuri
läbiviimisel on erinevad strateegiad võrdlema
peab eelkõige värske söötme portsjonidena
lisamist ning µ-staati, kui kahte äärmuslikku
strateegiat. Väga palju on n.ö. Vahepealseid
strateegiaid. NB! söötmise starteegia valik
sõltub väga oluliselt rakkude metabolismi
iseärasustest
40
Fed-batch kultuur Alustatakse annuskultuurina.
Kui glükoos (limiteeriv substraat) otsa lõpeb,
hakatakse portsjonide kaupa lisama glükoosi
lahust. Eksponentsiaalse kasvu faas pikeneb ja
saavutatakse suuremad, kui annuskultuuris
biomassi tihedused
41
Rakkude ainevahetuse lihtsustatud skeem
CO2
O2
H2O
42
Aeroobide metabolismi põhiiseärasus
Aeroobsetel bakteritel (Bacillus, Pseudo- monas,
mullabakterid) on suure läbilaskevõimega
tsitraadi tsükkel ning hingamisahel ja nende
metabolismi skeemi võib esitada tagurpidi
lehtrina. Punased nooled tähistavad lisaks
limiteerivale teiste substraatide tarbimist.
Kõrvalprodukte sellisel juhul ei
teki. Fed-batchi söötmisstrateegia valik pole
kriitiline
43
Pealevoolu reguleeritakse limiteeriva substraadi
glükoosi kontsentratsiooni järgi negatiivse
tagasiside põhimõttel kasutades
glükoosianalüsaatorit (Applikon, Holland)
44
Fakultatiivsete aeroobide metabolismi
põhiiseärasus
Võimsa glükolüüsiga bakterite metabolismi skeemi
võib kujutada lehtrina Glükolüüsi ülejäägid
väljuvad organismist kõrvalproduktidena.
Kõrvalproduktid tekivad siis, kui bakterite
kasvuerikiirus on kriitilisest suurem (vt. Monod
võrrandit). Selline metabolismi skeem on
iseloomulik fakultatiivsetele aeroobidele
(Escherichia coli, pärmid). Fed-batch kultuuris
söötme lisamise strateegia kriitiline sobib
µ-staat
Kõrvalproduktid (atsetaat, piimhape, etanool)
µ-staat
45
Läbivoolukultuurid rakud kasvavad
läbivoolureaktorites
46
Kemostaat klassikaline läbivoolukultuur
(Novick, Szilard 1949) Alustatakse samuti
annuskultuurina. Kui algselt lisatud sööde otsa
lõpeb, alustatakse värske söötme lisamist teatud
konstantse kiirusega. Kemostaadis on erinevalt
fed-batch kultuurist läbivool (ülevool)
kemostaadis on kultuuri ruumala Vconst.
Kemostaatkultuuris saabub mõne aja pärast, siis
kui läbi on pumbatud 3-5 reaktori mahtu,
statsionaarne kasvuseisund µD Kemostaadis
kasvavad kõik rakud sama kiirusega, nad on ühes
ja samas füsioloogilises seisundis. Seetõttu on
kemostaat kõige sobivam rakkude kvantitatiivse
füsioloogia uuringuteks. Aga kemostaat on ka
sobiv (kõrge produktiivsusega) tootmisprotsesside
läbiviimiseks kuigi oma pika eluea tõttu on
kemostaadis saastumise oht väga suur
47
Korralikus kemostaadis paigutatakse reaktor
kaalule ning kontrollitakse nii sisse- kui
väljavoolu reaktorisse
48
Lihtne ühe pumbaga kemostaat
49
Kemostaadi kriitilised aspektid
Kemostaadis kasutatav reaktor peaks olema
ideaalse segamisega reaktor, mis tagab täieliku
homogeensuse ja väga hea massiülekande (gaaside
ja soojuse ülekande)
50
Watson-Marlow mitmekanaliline pump Kemostaadis
peavad pumbad olema küllalt täpsed ja nad peavad
omama suurt pumpamiskiiruste diapasooni
51
(No Transcript)
52
Kemostaat näeb tihti välja väga keeruline
53
Kemostaatkultuuri teooria

V const T const pH const pO2 gt 10
F pealevoolu kiirus (l/h)
S0, F (l/h)

F (l/h)
V (l)
Kemostaadi reaktorites on tavaliselt ideaalne
segamine, hea massiülekanne.
54
Bakterite kasvu, limiteeriva substraadi ja
tekkivate produktide hulga muutumist ajas
kirjeldab järgmine võrrandisüsteem
55
x, s, p biomassi, limiteeriva substraadi ja
produktide kontsentratsioonid
reaktoris NB! kemostaadi puhul on meil
kontsentratsioonid, mitte hulgad, sest
kemostaadis on kultuuri ruumala konstantne
/Vdt
Toodud võrrandis
x biomassi kontsentratsioon, Vdx biomassi
kontsentratsiooni muutus, Vµxdt biomassi
juurdekasv tänu kasvule, Fxdt biomassi
vähenemine tänu läbivoolule
Defineerime
- läbivoolukiirus 1/t, h-1
- viibeaeg, h
56
Limiteeriva substraadi muutus
Kemostaat statsionaarse seisundi kultuur
siin
- biomassi ja limiteeriva substraadi
kontsentratsiooni statsionaarsed väärtused
57
Kasutades Monod võrrandit
saame
YXSs0
Põhimõtteliselt mittestatsionaarsed
(ebastabiilsed) seisundid
µmax
Kemostaadi stabiilsus Monod võrrandi analüüs
58
Kemostaadi produktiivsus
(Cmole/Cmole g/g (umbes sama))
g/l
59
Kemostaat klassikaline läbivoolukultuur
(Novick, Szilard 1949) Alustatakse samuti
annuskultuurina. Kui algselt lisatud sööde otsa
lõpeb, alustatakse värske söötme lisamist teatud
konstantse kiirusega. Kemostaadis on erinevalt
fed-batch kultuurist läbivool (ülevool)
kemostaadis on kultuuri ruumala Vconst.
Kemostaatkultuuris saabub mõne aja pärast, siis
kui läbi on pumbatud 3-5 reaktori mahtu,
statsionaarne kasvuseisund µD Kemostaadis
kasvavad kõik rakud sama kiirusega, nad on ühes
ja samas füsioloogilises seisundis. Seetõttu on
kemostaat kõige sobivam rakkude kvantitatiivse
füsioloogia uuringuteks. Aga kemostaat on ka
sobiv (kõrge produktiivsusega) tootmisprotsesside
läbiviimiseks kuigi oma pika eluea tõttu on
kemostaadis saastumise oht väga suur
60
Kemostaat väga hea kultuur, aga tema kõige
suurem puudus on, et statsionaarne olek saabub
mitte varem, kui pärast läbivoolukiiruse
astmelist muutust on läbi pumbatud 3-5
bioreaktori mahtu ja see võtab kaua aega. See
asjaolu teeb kemostaadi vähekasutatavaks
kultiveerimine võtab liiga kaua aega, millest
tuleneb suur aparatuuri rikete oht ja kultuuri
saastumise oht Nimetatud puudustest on vaba
A-staat. A-staat on pidevalt, sujuvalt muudetava
kiirusega kemostaat (kiirendus-staat
AccelerostatA-stat) A-staat kultuur
alustatakse batch kultuurina, kui algselt lisatud
sööde otsas alustatakse läbivoolutamist, pärast
esimese statsionaarse seisundi saavutamist,
hakatakse muutma läbivoolu kiirust D sujuvalt,
kõige lihtsamal juhul järgmise võrrandi järgi D
D0 at (a kiirendus h-2)
61

Kemostaat
Samm 0,1 h-1, 3V
62
Kemostaadis µ D, A-staadi puhul hetkelist
kasvukiirust mt arvutatakse järgmise valemi
järgi
Biomassi juurdekasvu kiirust IX(t), produkti
tekkimise kiirust IP ja subtraadi tarbimise
kiirust IS arvutatakse järgmiste võrrandite abil
63
Ilma arvutita pole võimalik A-staati
realiseerida Parim programm A-staadi
realiseerimiseks BioXpert
64
E. coli A-staat
65
A-stat cultivation of Saccharomyces cerevisiae

66
Kemostaadil põhinevad meetodid

• Accelerostat (A-stat)
• D-stat (a0)
• T, Si, pH, pO2
• Fed-batch with changing culture volume
  (quasi-steady-state culture) - µ-staat

67
D-staat hoitakse kasvukiirus konstantsena,
muudetakse temperatuuri
68
D-staat temperatuuri muutmisega - 2

69
Läbivoolukultuurid

• Kontrollitakse lahjenduskiirust (D)
• Kemostaat, hoitakse D-d ja keskkonna tingimusi
  konstantsena
• A-staat, muudetakse lahjenduskiirust sujuvalt
• D-staat, muudetakse keskkonna tingimusi sujuvalt
• Kontrollitakse biomassi kontsentratsiooni
• Turbidostaat (konstantne hägusus)
• pH-auksostaat (konstantne pH)
• CO2-auksostaat
• pO2-auksostaat
• Kui kasutatakse sujuvat kasvutingimuste muutmist
  nimetatakse meetodit aukso-akselerostaadiks

70
Kultiveerimismeetodid kasvuruumi uurimisel

• Perioodiline kultiveerimine kasvuruumi piiride
  määramisel

• A-staat, D-staat kui ultumax
• Auksoaktelerostaat ugtumax

• Kvaasistatsionaarne olek ei ole
• kontrollitud.

71
Kultiveerimismeetodid kasvuruumi uurimisel

• Analüüs on efektiivsem kui
• alustatakse mitmest kohtast
• muudetakse kultiveermisparameetri muutmise
  kiirust
• (kiirendust)

• Kvaasistatsionaarsust tuleb
• kontrollida
• A-staat gt kemostaati
• auksoakt. staatgt auksostaati

72
Ema-tütar kultiveerimis-skeemide arendamine 1
Biobundle-type reactors (1 L)
Big mother reactor (10 L)
Chemostat-microreactors (10 mL)
Chemostat stable culture
Accelerostat Changing environmental conditions
Chemostat steady-state control
73
Ema-tütar kultiveerimis-skeemide arendamine 2
74
Kasutades staatseid meetodeid on võimalik
reprodutseeritavalt viia kasvavad rakud suvalisse
etteantud kvasistatsionaarsesse füsioloogilisse
seisundisse Tähtis rakkude füsioloogia
uurimiseks ja ka tootmisprotsesside
optimeerimiseks ning realiseerimiseks
75

• Süsteemibioloogia (metaboolika) systems biology
  robotiseeritud (täisautomaatne)
  rakufüsioloogiliste uuringute know-how ja
  tehnoloogia
• fermentaatorid, analüütilised instrumendid jms
  ühendatud kompleksideks, mis võimaldavad
  automaatset kultiveerimis-eksperimentide seeriate
  läbiviimist (kasutades ka märgistatud substraate)
• kontrollitud kultiveerimiste tarkvara,
  modelleerimisvahendid, andmete esitamise
  vahendid, side olemasolevate andmebaasidega
• märgisekatsete läbiviimise standardskeemide ja
  märgistatud substraatide komplektide
  väljatöötamine
• rakkude ab initio konstrueerimise tehnoloogia
  väljatöötamine

76
Täisautomaatne bioreaktor MOBIAS, mis töötas
Marsil Kõrge läbilaskevõimega kultiveerimistehnolo
ogia Rakkude ab initio disain