Основні завдання виробничого етапу
Серед завдань, які необхідно вирішувати на виробничому етапі, можна виділити наступні:
1. Підтримання і контроль асептичних (стерильних) умов.
2. Створення і контроль умов росту культур (температурний режим, масо- і газообмін, якість поживного середовища – зменшення поживних речовин і збільшення продуктів метаболізму).
3. Концентрація ферментів і білків у культуральній рідині.
4. Відсутність сторонньої мікрофлори.
5. Рівень піноутворення.
Особливості вирішення задач виробничого етапу
Підтримання і контроль асептичних (стерильних) умов
У процесі виробничого етапу постійно відбувається газообмін між зовнішнім середовищем і культуральним, тому необхідно дотримуватись умов стерильності, що досить складно при великих об’ємах виробництва.
Рішення цієї проблеми полягає в наступному:
– застосування попередньо очищеного від контамінантів (іншої мікрофлори) повітря за допомогою фільтрів;
– стерилізація поживних середовищ у процесі культивування;
– контроль стерильності умов виробництва.
Створення і контроль умов росту культур
Температурний режим. У процесі культивування постійно змінюється температурних режим, тому постійно потрібно або відводити тепло, або (навпаки) підігрівати середовище. Так, у аеробних умовах відбувається тепловиділення, причому чим вище інтенсивність росту культури, тим більша швидкість розігріву культуральної рідини.
Найбільш простим способом відводу тепла є застосування оборотної води через змійовики, водяні сорочки тощо.
Дещо простіше здійснювати контроль підвищення температури: існують різні системи підігріву – електричні, водяні.
Масо- і газообмін. Важливою особливістю біологічних об’єктів є їхня гетерогенність, тобто неоднорідність. Рідке середовище, у якому культивують мікроорганізми, теж є гетерогенним, бо в ньому є рідкі, тверді і газоподібні компоненти (фази). У процесі життєдіяльності клітини утилізують частину компонентів із середовища і постійно виділяють екзометаболіти, тобто вони самі створюють гетерогенність хімічного і газового складу. Таким чином сам об’єкт постійно створює відхилення від оптимальних для нього умов функціонування. Завдання біотехнолога забезпечити максимальну продуктивність об’єкта в штучних умовах шляхом усунення факторів «самознищення».
Забезпечення необхідного масо- і газообміну. Перемішування культур – це складне завдання тому, що інтенсивне перемішування призводить до активного піноутворення, яке є вкрай небажаним явищем. Використання піногасників призводить до проблем, пов’язаних з їх побічною дією і дотримання стерильності.
Забезпечення киснем (аеробних культур) – за рахунок гарної розчинності кисню у воді, або шляхом підвищення парціального тиску кисню у газі. (парціальний тиск – це тиск газу або пари в суміші, який мав би цей газ або пара, якщо він один займав увесь об’єм у суміші).
Забезпечення культивування анаеробів, яке не потребує аерації, пов’язано з вирішенням проблеми видалення кисню із середовища, що досягається введенням у реактор інертного газу або витіснення кисню вуглекислотою, яка виділяється в процесі метаболізму об’єкту, що культивується. Герметизація біореактора створює певні складності, бо утруднює перемішування і теплообмін.
Необхідний постійний контроль хімічного складу, вмісту кисню, вуглекислого газу у середовищі культивування, а за необхідності регулюється інтенсивність перемішування.
Склад і якість поживного середовища.
Найважливішим фактором оптимального росту клітинної культури є склад і якість живильного середовища, які динамічно змінюються, що виражається у зменшенні вмісту корисних для клітин речовин і неперервному нагромадженні продуктів метаболізму (екзометаболітів). Крім того, компоненти, що входять до складу поживного середовища, можуть змінюватися з неоднаковою швидкістю, що призводить не тільки до збіднення складу, але й до змінення співвідношення між компонентами.
Контроль складу культурального середовища одне з найскладніших завдань виробничого етапу.
Процес культивування поділяють на: періодичне культивування, неперервне культивування, напівнеперервне культивування:
– при періодичному культивуванні до складу поживного середовища не вводять додаткові компоненти, а після завершення циклу культивування виділяють цільовий продукт (якщо цільовий продукт накопичується в процесі культивування);
– при неперервному культивування необхідна постійна підтримка заданого стаціонарного стану середовища (контролюється автоматично за допомогою комп’ютерних систем);
– напівперевний процес культивування – така система культивування, при якій через певний інтервал часу відбирається частина біомаси і вноситься свіже поживне середовище, що значно збільшує термін культивування. Для цього застосовують автоматичні системи реєстрації і подачі необхідних компонентів у біореактор.
У середовищі культивування контролюються такі параметри:
· температура;
· рН середовища – за допомогою рН-електродів (скляний мембранний електрод);
· тиск – за допомогою мембранних манометрів, що дають пневматичний сигнал, який перетворюється в електричний;
· в’язкість середовища – оцінюють потужність, яка потребує мішалка за різної швидкості обертання;
· уміст кисню – за допомогою гальванічних (потенціометричних) або полярографічних (електрод Кларка) зондів (виміряється парціальний тиск).
