Повышение эффективности ферментации
Независимо от типа биореактора процесс ферментации строго контролируют по:
-концентрации растворенного кислорода;
- рН;
-температуре;
-интенсивности перемешивания биомассы.
Существенные изменения любого из этих параметров резко снижают скорость роста клеток и стабильность белкового продукта. Для оптимального роста Е. соli идругих микроорганизмов, используемых при экспрессии рекомбинантных белков, нужна хорошо аэрируемая культуральная среда. Кислород плохо растворим в воде (0,0084 г/л при 25 °С), поэтому он должен подаваться в среду непрерывно. В процессе ферментации специальный датчик контролирует содержание растворенного кислорода в среде, равномерность его распределения по всему объему, тщательность перемешивания культуры, что, вместе взятое, обеспечи-
вает эффективность диспергирования пузырьков. Пространство, где взаимодействуют микроорганизмы и питательная среда, принято называть микросредой. Если микросреда данной культуры одинакова в каждой точке, такую культуру считают гомогенной. Гомогенность достигается эффективным перемешиванием всех компонентов среды и микроорганизмов по всему рабочему объему. Гомогенность невозможна без аэрации, которая осуществляется барботерами различных конструкций, например, в виде кольцевого желоба с отверстиями, перфорированной трубы или форсунки.
Оптимальный рост большинства микроорганизмов идет при рН от 5,5 до 8,5; однако клеточные метаболиты, выделяющиеся в культураль-ную среду, могут изменять рН. Изменение рН среды заметно сказывается на активности ферментов микроорганизмов, состоянии промежуточных продуктов, их диссоциации, растворимости и т.п., что значительно влияет на выход конечного продукта. Тщательно контролируя рН, при необходимости в ферментер добавляют кислоту или основание, хорошо перемешанные с питательной средой и равномерно распределенные по всему объему.
Успех ферментации зависит от температуры. Если она ниже оптимальной (37 °С), рост микроорганизмов замедлен, интенсивность их метаболизма снижена. При повышении температуры до 38 °С, возможна преждевременная индукция синтеза белка или индукция белков теплового шока, что активирует клеточные протеиназы и снижает выход белкового продукта. Для отвода тепла используют охлаждающую рубашку. Тщательное перемешивание культуральной среды - один из наиболее распространенных процессов в БТ. Перемешивание необходимо для:
-равномерной доставки питательных веществ к клеткам;
- предотвращения накопления токсических побочных продуктов метаболизма в каком-нибудь небольшом участке биореактора.
Механическое перемешивание и аэрация снабжают растущую культуру кислородом, азотом, отводят продукты газообмена и физиологическое тепло, выделяемое микроорганизмами в процессе биосинтеза, способствуют гомогенизации суспензии, увеличивают скорость процессов масса- и теплообмена.
Конструкция мешалки играет важную роль в работе биореактора. Мешалки делят на быстро- и тихоходные. Быстроходные аппараты с большой и средней циркуляционной производительностью используют в препаратах с отражательными перегородками (отбойниками). Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости, снижению скорости у стенки аппарата и образованию воронки.
Мешалки быстроходные - турбинные, пропеллерные, лопастные, дисковые. Тихоходные - якорные, рамные, ленточные, вибрационные, скребковые; последние для перемешивания средне- и высоковязких сред. Для глубинного культивирования чаще всего используют турбинную мешалку с прямыми лопастями, расположенными радиально. Перемешивание культуральной среды влияет на другие параметры:
-скорость переноса кислорода из пузырьков газа в жидкую среду,из среды - в клетки;
-эффективность теплопередачи;
-точность измерения концентрации метаболитов культуральной жидкости;
-эффективность диспергирования добавляемых реагентов (кислот, оснований, питательных сред и т.д.).
Следует соблюдать баланс между необходимостью тщательного перемешивания среды и целостностью клеток, так как при чрезмерном перемешивании в среде могут возникнуть гидромеханические эффекты, губительные для бактериальных клеток.
Непрерывный мониторинг всех параметров, дает возможность изменять условия в ходе ферментации; Как правило, оптимальные условия изменяются при каждом десятикратном увеличении объема биореактора.
Дата добавления: 2016-07-22; просмотров: 2286;