Анализ состава популяции клеток - раздел Химия, Основы биохимической инженерии
Методы Анализа Популяций Клеток Можно Классифицировать Пример...
Методы анализа популяций клеток можно классифицировать примерно таким же образом, как и математические модели, описывающие кинетику роста культур клеток (вспомните тл. 7 и рис. 7.2). Большинство классических методов биохимии дает усредненную по всей популяции и, следовательно, несегретированную информацию. Такие методы можно распространить на очень большое число компонентов клетки вплоть до отдельных белков, молекул РНК и ДНК и даже последовательностей их фрагментов. Если же экспериментальные данные относятся к одной клетке или могут дать информацию о состоянии отдельных клеток, так что в конечном счет удается получить сведения о распределении свойств отдельных клеток, то такие данные можно назвать сегрегированными.
Прежде всего, мы обсудим методы, дающие информацию несегрегированного типа. К наиболее грубым результатам таких методов после данных по определению массовой или численной плотности популяции относятся данные об элементном составе клеток, включая содержание углерода, водорода и азота. Разработаны автоматические анализаторы, предназначенные, например, для определения общего азота в пробах. Известно, что в биологических процессах важную роль играет ряд ионов, поэтому в анализах на элементы обычно определяют также общее содержание железа, магния, фосфора и кальция. Общее содержание белков, РНК, ДНК и других компонентов клеток большой молекулярной массы определяют с помощью хорошо известных методов. В качестве примера на рис. 10.9 перечислены основные операции методики определения макромолекулярных компонентов дрожжей. Здесь мы не имеем возможности детально описывать каждый из методов анализа различных макромолекулярных соединений; подробные сведения можно найти в работах [14, 15], а также в многочисленных статьях, посвященных определению состава клеток в процессе их роста. С помощью этих методов получен ряд ценных результатов, например данные, приведенные на рис. 7.17. Хотя любую конкретную методику определения какого-либо вещества, например белка или ДНК, можно применять для анализа различных организмов, в зависимости от вида последних может потребоваться та или иная модификация этой аналитической методики.
Усредненное содержание конкретных белков в популяции клеток можно определять несколькими методами. Что касается ферментов, то для контроля за изменением их концентрации в ходе процесса обычно измеряют соответствующую ферментативную активность. В табл. 10.3 перечислены характерные реакции и принципы измерений, используемые для определения концентраций основных ферментов, участвующих в метаболическом превращении глюкозы в органические растворители в микробиологическом процессе производства ацетона и бутанола с помощью Clostridium acetobutylicum. На рис. 10.10 представлены зависимости активности ряда основных ферментов этого организма от времени периодического процесса. Как показывают эти данные, на последних фазах процесса активности ферментов, участвующих в биосинтезе кислот, снижаются, а активности ферментов, связанных с образованием бутанола и ацетона, напротив, возрастают. Подобная информация может быть полезной при выяснении зависимостей между изменением клеточного метаболизма, природой штамма микроорганизма и эксплуатационными параметрами биореактора; эти данные в свою очередь необходимы для оптимизации как организма, так и цроцесса.
РИС, 10.9. Операционная карта методики определения концентраций (усредненных по популяции) белка и РНК в дрожжевых клетках. Подробное описание методики Лоури и орсинового метода приведено в работах [14, 15].
Таблица 10.3. Типичные субстраты и методы определения активности основных ферментов, участвующих в путях катаболизма в Clostridium acetobutylicum
Индивидуальные белки иногда можно определять хроматографическими (см. разд. 11.4) или электрофоретическим методами путем измерения интенсивностей отдельных полос. Для того чтобы повысить разрешающую способность и чувствительность электрофоретического метода при самых разных концентрациях белков, можно применять двумерный электрофорез в геле; в этой методике белки разделяют в одном направлении по величине их молекул, а во втором направлении — по заряду. При таком разделении индивидуальные белки концентрируются в виде пятен на плоскости, что позволяет идентифицировать и количественно определять большое число белков одновременно. Эта методика применялась, например, для изучения скоростей синтеза 140 различных белков в процессе роста бактерии Е. colі [17].
Основой другого метода анализа индивидуальных белков является связывание антител с определенным участком молекулы изучаемого белка [18]. Если в распоряжении исследователя имеются антитела, специфичные по отношению к изучаемому белку, то последний можно определить количественно путем осаждения комплекса белок — антитело или посредством детектирования антител, меченных радиоактивными изотопами, или путем измерения активности фермента, связываемого с изучаемым белком (метод иммуносорбционного ферментативного анализа, ELISA). Аналогично можно определять и другие компоненты системы, в том числе и высокомолекулярные соединения, если только удается найти антитела, специфичные в отношении этих компонентов. Меченые антитела часто применяют для идентификации на поверхности клеток определенных соединений или структур, а в некоторых случаях таким путем удается определить и количество этих соединений на наружной поверхности клеток. Связывание антител с теми или иными соединениями на поверхности клеток и последующие измерения могут быть выполнены и без потери жизнеспособности организмов, что особенно важно при скрининге и селекции мутантных штаммов. Этот метод пригоден и для обнаружения определенных штаммов в смешанных культурах, поскольку каждый организм обычно имеет на своей поверхности специфические соединения-маркеры, которые с помощью соответствующих антител можно селективно идентифицировать и определять количественно.
РИС. 10.10. Рост Clostridium acetobutylicum в периодическом процессе и изменение концентраций ферментов, участвующих в образовании продуктов метаболизма.
а — параметры клеточного роста и образования продуктов метаболизма: 1 — оптическая плотность; 2 — значение рН; 3 — концентрация ацетата; 4 — концентрация бутирата; 5 — концентрация ацетона; 6 — концентрация бутанола.
б — концентрации ферментов, участвующих в биосинтезе ацетата и бутирата, а также гидрогеназы: 1 — фосфотрансацетилаза; 2—ацетаткиназа; 3 — фосфотрансбутирилаза; 4 — бутираткиназа; 5 — гидрогеназа.
в — концентрации ферментов, участвующих в образовании ацетона и бутанола: 1 или 2 — ацетоацетил-СоА: СоА — трансфераза с ацетатом или бутиратом в качестве акцептора соответственно; 3 — ацетоацетатдекарбоксплаза; 4 — бутиральдегиддегидрогеназа; 5 — бутанолдепідрогеназа. [Воспропзведено с разрешения из статьи: Andersch W., Bahl Н.. Gottschalk G., Level of Enzvmes Involved in Acetate, Butyrate, Acetone and Butanol Formation by Clostridium acetobutylicum, Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol., 18, 327 (1983).]
Важность плазмид как носителей генетической информации, используемой для синтеза необходимых веществ в рекомбинантных организмах, обусловливает потенциальную ценность методов определения содержания плазмид в клетках. Наиболее надежный метод количественного определения плазмид в бактериях заключается в выделении суммарной ДНК организма с последующим разделением плазмидной и хромосомальной ДНК ультрацентрифугированием в градиенте хлорида цезия. Относительные количества хромосомальной и плазмидной ДНК можно определять несколькими методами. При использовании меченных радиоактивными изотопами препаратов ДНК можно, например, отделить осадок после центрифугирования и определить его радиоактивность с помощью сцинтилляцнонного счетчика. Содержание плазмидной ДНК в клетках дрожжей или животных клетках можно оценить методом гибридизации с помощью меченого зонда, комплементарного специфической нуклеотидной последовательности плазмиды. Другой подход к определению содержания плазмид в организмах основан на включении в плазмиду в качестве маркера гена какого-либо конкретного фермента, активность которого можно было бы затем легко определить. Такой подход применялся для оценки количества плазмид в рекомбинантных клетках бактерий, дрожжей и животных организмов.
Все рассмотренные выше методы анализа дают информацию о составе клеток и в некоторой степени о характере их метаболизма, но не сообщают непосредственно никаких данных об энергетическом состоянии организма в данный момент. Количество внутриклеточного АТР можно определить с помощью анализатора типа Биометр. Этот прибор измеряет интенсивность люминесценции, генерируемой в реакции с участием АТР, которая катализируется ферментом люциферазой. Поскольку концентрация АТР может очень быстро изменяться в зависимости от окружения клетки и ее метаболической активности, необходимо до анализа этим (или иным) методом быстро обработать образцы популяции клеток фосфорной кислотой; в противном случае нельзя гарантировать сохранение концентрации АТР в процессе анализа. Так как в нежизнеспособных клетках АТР отсутствует, то путем определения содержания АТР иногда можно оценить и долю метаболически активной биомассы в популяции.
Для определения внутриклеточных концентраций АТР, ADP, фосфатов Сахаров, полифосфата и величины рН успешно применялась спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ка ядрах 31Р. Этим методом изучали различные микроорганизмы, в том числе бактерии Е. coli [19] и Clostridium thermocellum [20], дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis и Zygosaccharomyces bailii [21]. Для изучения путей внутриклеточного метаболизма углерода и азота можно применять также спектроскопию ЯМР 13С и 15N, если изучаемый организм выращен на субстратах, обогащенных изотопами 13С и (или) 15N [23, 24].
В некоторых процессах с участием мицелиальных микроорганизмов наблюдалась зависимость эффективности и кинетики этого процесса от морфологического состояния плесени или актиномицета. В примере 7.2 мы уже обсуждали некоторые данные о связи между морфологией и образованием антибиотика цефалоспорина в культуре плесени Cephalosporium acremoтит. Непосредственное качественное визуальное изучение и количественный контроль морфологии мицелия очень сложны и трудоемки, поскольку они связаны с большим объемом работ по микроскопии и с ручным или автоматическим анализом полученных данных. Морфология мицелия, как было показано, влияет на его поведение при фильтровании. Ванг и сотрудники [25, 26] использовали эту зависимость для создания остроумного метода определения морфологии мицелия на основе данных по изучению фильтрования пробы культуры, который далее был усовершенствован Лимом и сотрудниками [27]. В этом методе периодически отбирают небольшую пробу культуральной суспензии, фильтруют ее и затем определяют объем фильтрата и толщину слоя осадка на фильтре. Полученные таким путем данные в совокупности с найденными ранее корреляциями между параметрами процесса фильтрования и морфологическими свойствами и плотностью изучаемой культуры плесени могут служить основой для периодического непосредственного контроля за ходом ферментации (см. упражнение 11.6).
Существует несколько методов изучения и определения распределения характеристик индивидуальных клеток в популяции одноклеточных организмов. Такие распределения приближенно можно оценить методом микроскопии, а в сочетании с методамианализа изображений можно получить и информацию количественного характера, хотя сбор характеристик достаточно большого числа клеток, необходимых для получения статистически достоверной информации, очень трудоемок. Для быстрого определения свойств большого числа индивидуальных клеток более удобны непрерывные методы измерения в потоке. Имеются два основных типа таких методов. В приборах типа счетчика Коултера объем отдельных клеток определяют путем измерения сопротивления небольшого отверстия, через которое протекает изучаемая проба (суспензия клеток), разбавленная раствором электролита. Известна зависимость между объемом сферической частицы и изменением удельного сопротивления отверстия; таким путем можно определить размеры большого числа быстро протекающих через отверстие суспендированных частиц. Некоторые затруднения при интерпретации результатов измерений может вызвать изменение морфологии клеток; тем не менее этот метод позволяет получить ценную информацию о распределении клеток популяции по размерам.
Более универсальны приборы, называемые проточными питометрами. В этих приборах разбавленная суспензия клеток также проходит через детектирующее устройство, однако здесь измеряются оптические свойства суспензии. Как показано на схеме прибора (рис. 10.11), в проточном цитометре поток пробы облучают с помощью лазера или другого источника света, а затем измеряют поглощение, рассеяние и (или) флуоресценцию индивидуальных клеток. Результаты изучения рассеяния света можно использовать для получения информации о распределении клеток по размерам. Поскольку интенсивность рассеяния света под прямым углом зависит от наличия и концентрации специфических внутриклеточных структур, этот метод успешно применялся для контроля накопления в индивидуальных бактериальных клетках частиц резервного углевода, полигидроксибутирата, обладающих характерным показателем преломления [28]. С помощью специфических флуоресцентных красителей, выполняющих роль метки, в клетках микроорганизмов и животных клетках определяли распределение концентраций различных биополимеров, в том числе суммарного клеточного белка, двухцепочечной ДНК и клеточной РНК [29, 30]. С помощью проточных цитометров можно также следить за накоплением в отдельных клетках внутриклеточного флуоресцирующего соединения, образующегося при действии конкретного фермента. Таким путем можно устанавливать активность одного фермента в индивидуальных клетках, изучать in vitro кинетику ферментативных реакций, определять (путем клонирования гена, отвечающего данному ферменту) содержание плазмид в клетке [31]. Методом цитометрии в потоке, кроме того, можно идентифицировать и определять содержание конкретных штаммов в смешанных культурах и обнаруживать посторонние штаммы в посевном материале [32, 33]. Поскольку метод цитометрии в потоке дает информацию не только об усредненных параметрах популяции, но и о распределении характеристик индивидуальных клеток, это позволяет получить более детальные данные о состоянии популяции микроорганизмов.
Хотя в большинстве случаев методом цитометрии в потоке измеряли лишь один параметр микробиологического процесса, при помощи этого метода можно определять и несколько параметров индивидуальных клеток одновременно, что позволяет получать еще более детальную информацию о состоянии популяции клеток. При одновременном определении двух параметров результаты измерений изображают на плоскости в виде зависимости частоты или относительного числа клеток от двух изучаемых параметров, величины которых откладывают на осях координат, ограничивающих указанную плоскость. В качестве примера на рис. 10.12 приведены результаты одновременного определения интенсивности рассеяния света (связанной с размером клеток) и внутриклеточной флуоресценции, эмиссия которой происходит с участием фермента, кодируемого плазмидным геном. Таким способом можно найти корреляцику между количеством флуоресцирующих веществ, накопленных клеткой, и наличием или даже числом плазмид в одной дрожжевой клетке. На рис. 10.12 видны два четких пика, отвечающие клеткам разных типов в изучаемой культуре. Клетки с низкой интенсивностью флуоресценции не содержат плазмид, поскольку в условиях этого эксперимента для нативных клеток типичен низкий уровень естественной флуоресценции. Часть популяции клеток с более интенсивной флуоресценцией, зарегистрированных в виде второго четкого пика, содержит плазмиды, а следовательно, и фермент, ответственный за повыщение интенсивности флуоресценции. Этот метод позволяет быстро оценить относительное содержание клеток с плазмидами и без плазмид в культуре и таким образом получить ценную информацию о репликации плазмид и процессах расщепления рекомбинантного штамма.
Все темы данного раздела:
Бейли Дж., Оллис Д.
Б 40 Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х час-
тях. Ч. 2. — М.: Мир, 1989. — 590 е., ил.
ISBN 5-03-001029-7
Фундаментальный труд, написанный известными амер
Проектирование и расчет биологических реакторов
Знание кинетики биологических превращений и процессов массопередачи (этим проблемам были посвящены гл. 7 и 8) необходимо для понимания основных принципов работы биологических реакто
Идеальные биореакторы
В разд. 7.1 мы познакомились с идеальными биореакторами с полным перемешиванием. Предполагается, что в таких реакторах перемешивание настолько эффективно, что концентрации биокатализаторов и услови
Реакторы периодического действия с добавлением субстрата
Часто в ходе микробиологического процесса возникает необходимость во введении в биореактор периодического действия потоков жидких веществ, например растворов предшественников синтез
Реакции в ПРПП, катализируемые ферментами
В зависимости от способа обеспечения ферментативной активности при осуществлении катализируемых ферментами реакций используются ПРПП различных конструкций (рис. 9.3). В проточном ре
Проточные реакторы с полным перемешиванием для культур клеток и пристеночный рост клеток
Для повышения выхода биомассы и продуктов жизнедеятельности организмов в единице объема реактора в единицу времени ПРПП можно снабдить сепаратором (гл. 11) и устройством для рециркуляции концентрир
Динамические модели
В основу изучения динамики процессов в ПРПП может быть положено уравнение материального баланса (7.4), преобразованное в соответствующее уравнение для нестационарного состояния:
Устойчивость
В этом разделе мы рассмотрим зависимость динамических характеристик системы в реакторе от функции f и ряда заданных значений параметров р. Для нас наибольший интере
Реакторы с неидеальным перемешиванием
Закончив изучение идеальных реакторов с полным перемешиванием или трубчатых реакторов полного вытеснения, которые можно воспроизвести в лабораторных мелкомасштабных экспериментах, р
Время выравнивания концентраций в реакторах с перемешиванием
Под временем выравнивания концентраций понимают время необходимое для достижения определенного уровня гомогенности содержимого реактора после импульсного введения индикатора в опред
Распределение времени пребывания
Попытаемся представить себе, что случится с небольшим объемом жидкости после его введения в проточный биореактор непрерывного действия. Благодаря перемешиванию этот малый объем буде
Модели неидеальных реакторов
Очевидно, РВП содержит полезную информацию о структуре течений и характере перемешивания содержимого реактора. Для оценки степени отклонения поведения реактора от идеального режима
Взаимосвязь между перемешиванием и биологическими превращениями
Характер течений и явления переноса влияют на кинетику клеточных процессов в различных масштабах. Так, эффекты, проявляюш,иеся при определенных масштабах длины (вспомните рис. 9.2),
Стерилизаторы
Жидкости, обычно водные растворы, можно стерилизовать несколькими методами, в том числе облучением (ультрафиолетовым или рентгеновским излучением), воздействием ультразвука, фильтро
Периодическая стерилизация
Изучение процессов стерилизации мы начнем с анализа закрытого сосуда с полным перемешиванием, содержаш,его суспензию клеток или спор. Жидкость должна стерилизоваться при нагревании,
Непрерывная стерилизация
На рис. 9.24 схематично изображены два основных типа непрерывных стерилизаторов. В первом из них (рис. 9.24, а) нагревание осуществляется путем введения струи пара, затем наг
Иммобилизованные биокатализаторы
Работа биологического реактора в основном определяется свойствами применяющихся биокатализаторов. Ранее мы обсуждали различные методы и способы использования ферментов, при помощи к
Применение биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток
Рассматривая примеры, иллюстрирующие степень сложности процессов катализа с участием иммобилизованных клеток, мы начнем с самого простого случая и постепенно будем переходить ко все
Превращение нерастворимых субстратов
Превращение нерастворимых субстратов типично для процессов утилизации крахмала и целлюлозы, модификации стероидов, а также для роста микроорганизмов на парафиновых углеводородах. В
Реакторы с неподвижным слоем биокатализатора
Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в настоящее время используются в нескольких промышленных процессах, и есть все основания полагать, что в ближайшее время область их
Биореакторы типа барботажных колонн
Под биореакторами типа барботажных колонн мы подразумеваем реакторы с большим отношением высоты к диаметру,которые в отличие от реакторов с перемешиванием, обычно имеющих менее вытя
Биореакторы с псевдоожиженным слоем катализатора
Процессы в псевдоожиженном слое катализатора обычно осуществляют в реакторах колонного типа, рассмотренных в предыдущем разделе, поэтому если такие процессы включают подачу или отво
Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости
Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора,
Технология микробиологических процессов
Для того чтобы получить некоторое представление о различных практических аспектах расчета и эксплуатации биореакторов, а также об осуществляемых в них процессах, рассмотрим ряд вопр
Подбор состава среды
При подборе необходимого для определенного микробиологического процесса состава среды следует принимать во внимание множество факторов. Один из них связан со стехиометрией клеточног
Проектирование типичного асептического аэробного микробиологического процесса и его ведение
Большинство промышленных микробиологических процессов имеют те или иные общие черты, однако на практике появляются существенно различающиеся проекты процессов и способы их ведения,
Биореакторы других типов
В табл. 9.13 перечислен ряд факторов, стимулировавших разработку новых типов и конструкций биореакторов. Многие из этих факторов сыграли свою роль при разработке компанией JCI чрезв
Особенности технологии процессов с участием растительных и животных клеток и соответствующих реакторов
В настоящее время культуры животных клеток используются для производства ряда ценных продуктов, в том числе вакцин, протеолитического фермента урокиназы, моноклональных антител и ин
Культивирование животных клеток; требования к среде
По сравнению с микроорганизмами для культивирования животных клеток требуются более сложные и дорогие среды. Обычно для предотвращения заражения в среду вводят антибиотики. В состав
Промышленные реакторы для крупномасштабных процессов с участием животных клеток
Все животные клетки по способности к росту в суспензии можно разделить на две группы. Так, клетки крови, лимфы, опухолевой ткани и многие трансформированные клетки могут расти в сус
Культивирование растительных клеток
Растительные ткани, выделенные из внутренних частей органов растений, после промывки и дезинфекции можно культивировать на агаре в соответствующей питательной среде.
Упражнения
9.1. Анализ ПРПП. а) Проверьте справедливость всех приведенных в табл. 9.1. уравнений, описывающих процессы в ПРПП.
б) Как с помощью соответствующих график
Контрольно-измерительная аппаратура и управление процессами биохимической технологии
В предыдущих главах мы уже неоднократно имели возможность убедиться в том, что активность и полезное время жизни ферментного катализатора или популяции клеток непосредственно завися
Детекторы для определения физических свойств среды и газов
Из параметров, влияющих на жизнедеятельность клеток и экономичность биопроцесса, в ходе процесса можно непрерывно определять температуру, давление, мощность, расходуемую на перемеши
Детекторы для определения химического состава среды
В настоящее время разработаны электроды для определения рН, окислительно-восстановительного потенциала (Eh), парциального давления растворенного кислорода и СО
Газовый анализ
Концентрация СО2 в отходящих газах биореактора, содержащего культуру клеток, связана с дыхательной или иной ферментативной активностью клеток. Неудивительно, что этот пар
Детекторы для непрерывного контроля характеристик популяции клеток
К сожалению, в настоящее время имеется очень ограниченное число приборов, предназначенных для непрерывного контроля за поведением популяции клеток в биореакторе. Чаще всего возникае
Определение свойств среды
Первая стадия обработки пробы, отобранной из биореактора или аппарата, где происходит разделение продуктов, обычно заключается в отделении твердой фазы (клеток или любых других нера
ЭВМ и интерфейсы
Сочетание контрольно-измерительной аппаратуры с цифровыми ЭВМ выгодно в нескольких отношениях. Во-первых, ЭВМ может разносторонне усовершенствовать работу по сбору данных. Ст
Основные элементы цифровых ЭВМ
Основные блоки цифровой ЭВМ представлены на рис. 10.13. Центральный процессор принимает команды, передаваемые блоком управления в соответствии с заданной программой, и выполняет ука
Интерфейсы и периферийные устройства ЭВМ
Запоминающие, вычислительные и логические возможности ЭВМ останутся бесполезными, если она не соединена с каким-либо другим устройством или аппаратом. Такие соединения осуществляютс
Системы программного обеспечения
Под программным обеспечением подразумевается набор программ и команд, с помощью которых осуществляется управление работой ЭВМ, соответствующих интерфейсов и периферийных устр
Анализ данных
Хотя в настоящее время удается измерить лишь ограниченное число параметров системы в биореакторе, все же на основании этих параметров в сочетании с уравнениями общего материального
Сглаживание и интерполяция данных
Часто на результаты измерений накладывается шум. Кроме того, существенные флуктуации результатов измерений приводят к тому, что непосредственные показания прибора уже недостаточно т
Оценка параметров и состояния системы
Если накоплением кислорода в реакторе пренебречь, то уравнение материального баланса по кислороду для периодического процесса принимает форму
Непосредственное управление процессами
Если процесс осуществляется, например, в биореакторе, то часто возникает необходимость в регулировании рН, температуры, скорости аэрации и перемешивания, иногда также парциального д
Каскадное управление метаболизмом
Конечной задачей системы управления любым биореактором с культурой клеток является обеспечение таких условий, которые в конце концов способствуют максимальному использованию систем
Программированное управление процессами в биореакторах периодического действия
Обеспечить максимальный выход продукта в периодическом процессе с участием определенного штамма микроорганизмов можно только в том случае, если заранее известны те среда и условия,
Расчет и стратегия эксплуатации промышленных периодических процессов
Промышленный процесс состоит из ряда периодических операций (предварительной обработки субстрата, стерилизации, ферментации, выделения продукта, расфасовки). Разработка такого проце
Управление непрерывными процессами
При проведении непрерывных процессов возникают специфические проблемы регулирования и особые возможности применения прогрессивных методов управления. В непрерывномпроцессе система о
Упражнения
10.1. Аналитическая аппаратура. Дайте определение и кратко объясните принцип действия следующих аналитических приборов:
а) терморезистора, термопары, мембр
Отделение клеток и нерастворимых твердых материалов
Нерастворимые компоненты системы (от клеток до индивидуальных веществ) можно отделить от раствора, воспользовавшись особенностями их основных физико-химических свойств, например раз
Центрифугирование
Из культурального бульона биомассу можно выделить центрифугированием; таким методом иногда выделяют, например, дрожжи. На рис. 11.5 приведено схематическое изображение одного из тип
Седиментация
Если под влиянием многозарядных катионов или внеклеточных полимеров клетки легко образуют коагулирующие скопления или хлопья, то биомассу можно отделять седиментацией. Этот очень де
Перспективные методы выделения биомассы
Твердую фазу можно удалить из водной суспензии с помощью восходящего потока пузырьков воздуха, к которым прилипают нерастворимые твердые частицы. Такой метод (флотация) широк
Экстракция
Для экстракции необходимо наличие двух жидких фаз. При выделении антибиотиков применяют в основном экстракцию органическими растворителями из водной фазы, а для выделения белков нед
Сорбция
Под сорбцией понимают распределение растворенного вещества между жидкой и твердой (обычно пористым или обладающим большой поверхностью материалом) фазами. Одним из наиболее известны
Осаждение
Растворимость органических веществ зависит от температуры, рН, состава, иоииой силы и диэлектрической проницаемости растворителя. Осаждение можно индуцировать различными способами;
Кинетика образования осадка
Осаждение белка происходит в том случае, когда в результате изменения тех или иных условий его растворимость падает ниже существующей концентрации белка (или комплекса белок—реагент
Обратный осмос
Если раствор какого-либо вещества и чистый растворитель разделить мембраной, непроницаемой для растворенного вещества, но проницаемой для растворителя, то растворитель будет диффунд
Ультрафильтрация
Если средний диаметр пор мембраны превышает размер пор в процессе обратного осмоса, то через мембрану проникают все вещества с диаметром молекул 1 —10 Ậ, а белки и другие высо
Электрофорез
Электрофорезом называют разделение веществ благодаря различной скорости их перемещения в электрическом поле. Постоянная скорость uE, достигаемая частицей с зарядом
Последовательность операций выделения продуктов процессов биохимической технологии
В этом разделе мы изучим последовательность операций выделения и очистки продуктов биопроцессов и приведем несколько примеров таких типичных для биохимической технологии последовате
Выделение ферментов в промышленных процессах
Ферменты выделяют в виде неочищенных сухих препаратов, разбавленных или концентрированных растворов или высокоочищенных (иногда даже перекристаллизованных) твердых веществ. На рис.
Выделение антибиотиков
Антибиотики выделяют или в виде сравнительно неочищенных препаратов (примером может служить натриевая соль пенициллина; см. рис. 11.42) или в виде высокоочищенных веществ (например,
Выделение этанола
РИС. 11.43. Выделение органических кислот. Приведена схема производства лимонной кислоты в периодическом р
Выделение белка одноклеточных организмов
При выделении биомассы, являющейся главным, а не побочным (как, например, при производстве глутаминовой кислоты или антибиотиков) продуктом производства, применяют очень простые опе
Упражнения
11.1. Осаждение биомассы. а) Вычислите кажущийся размер изолированных частиц, если известны их плотности (ρ) н скорости осаждения (us):
Экономика процессов биохимической технологии
В этой главе мы рассмотрим роль экономических факторов в изучении, внедрении и эксплуатации процессов биохимической технологии. В первом разделе описаны основные этапы разработки пр
Контроль за качеством продукции биохимической технологии
Вмешательство правительственных организаций в контроль за качеством продукции биотехнологии обусловлено установленной законодательными актами ответственностью этих организаций за зд
Общий экономический анализ процессов биохимической технологии
Несмотря на то, что между отдельными биотехнологическими процессами с участием культур микроорганизмов имеются существенные различия, любой проект сначала удобнее всего рассматриват
Экономический анализ биопроцесса
В качестве примера рассмотрим среднемасштабный микробиологический процесс производства гипотетического вещества (антимикробного агента, предназначенного для использования в сельском
Химические продукты тонких биотехнологических процессов
К химическим продуктам тонкой биотехнологии относят довольно обширную группу ценных продуктов биохимической технологии (витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков, моноклон
Производство белков с помощью рекомбинантных ДНК
Технология рекомбинантных ДНК в организмах Е. coli позволила разработать методы промышленного производства инсулина (1979 г.), гормона роста (1981 г.) и лейкоцитарного интерф
Антибиотики
Продукты вторичного метаболизма микроорганизмов, ингибирующие рост других микроорганизмов даже в низких концентрациях, называются антибиотиками. Антибиотики применяют в качестве ант
Витамины, алкалоиды, нуклеозиды, стероиды
Микроорганизмы продуцируют не только белки (ферменты) и антибиотики, но и многие другие сложные метаболиты. Промышленный интерес представляют несколько процессов такого типа, успешн
Моноклональные антитела
Когда чужеродное вещество (антиген) попадает в организм животного, например мыши, то часто иммунная система узнает его и вырабатывает специфические антитела, которые селектив
Кислородсодержащие химические продукты массового производства
Для крупномасштабного производства кислородсодержащих химических продуктов применяются как анаэробные, так и аэробные процессы. Сначала рассмотрим состояние экономики традиционного
Пивоварение и виноделие
Производство пива может служить хорошей иллюстрацией ряда рассмотренных выше общих технологических принципов ферментативных процессов. Сначала ячмень инкубируют при определенных тем
Производство спирта в качестве топлива
Производство этанола в качестве топлива привлекло широкое внимание в последние десятилетия; впрочем, в Европе в годы, предшествовавшие второй мировой войне, в сравнительно широких м
Производство органических кислот и аминокислот
Производство органических кислот может служить показательным примером того влияния, которое оказывает выход процесса на его экономику. Капитальные затраты на цех ферментации при пол
Белок одноклеточных организмов
Белок одноклеточных организмов (БОО) — это содержащие белок материалы, представляющие собой высушенные клетки микроорганизмов. В качестве добавок к пищевым продуктам или кормам для
Анаэробные процессы производства метана
Широко изучались анаэробные процессы превращения субстратов углеводно-целлюлозной природы (особенно отходов сельскохозяйственных производств) в биогаз (метан), который обычно содерж
Упражнения
12.1. Этапы реализации процесса. Дайте определение (по памяти) следующим этапам реализации процесса: идея его создания, предварительная оценка, разработка окончател
Изучение взаимодействий в смешанных популяциях микроорганизмов
Во всех предыдущих главах основное внимание мы уделили системам, в которых доминирует один тип микроорганизмов, и практически не касались чрезвычайно разнообразных и очень широко ра
Нейтрализм, мутуализм, комменсализм и аменсализм
В случае смешанных культур, состоящих из двух штаммов микроорганизмов, нейтрализм и мутуализм представляют собой предельные варианты взаимодействий. Под нейтрализмом понимают
Анализ межвидовой конкуренции по Вольтерра
Известный итальянский математик Вито Вольтерра, выяснивший многие принципы математической экологии, изучал рост двух конкурирующих организмов в изолированной системе. В нелинейной м
Конкуренция и отбор в хемостате
Теперь рассмотрим роль конкуренции в открытых системах, например, в хемостате. Если допустить, что удельная скорость роста μi вида і постоянна, то дина
Хищничество и паразитизм
В случае хищничества и паразитизма один вид получает определенные преимущества за счет другого вида. Различия между этими двумя типами межвидовых взаимодействий заключаются в относи
Описание колебаний численности видов в системе хищник — жертва с помощью модели Лотки — Вольтерры
Математическую модель взаимодействия типа хищник — жертва, приводящего к таким циклическим изменениям, разработали Лотка и Вольтерра в конце 1920-х годов [8]. В этой модели принимае
Применение модели Лотки — Вольтерры к системам, состоящим из многих видовvb
Экологов интересует изучение взаимосвязей между степенью сложности системы и ее динамическим поведением. В частности, очень большой интерес представляют ответы на вопрос, будет ли с
Другие модели системы один вид хищников — один вид жертв
Работа Лотки и Вольтерры послужила стимулом для целого ряда исследований, в результате которых были предложены усовершенствованные варианты модели. Один из недостатков модели Лотки
Изучение динамики популяций с помощью моделей в форме закона действующих масс
В оставшейся части раздела 13.5 мы рассмотрим некоторые теоретические методы анализа и изучения сложных взаимодействующих популяций. Следует подчеркнуть, что большинство рассматрива
Качественная устойчивость
В предыдущем разделе мы рассмотрели некоторые из самых эффективных теоретических методов анализа нелинейныхмоделей процессов. В конце изучения влияния масштаба экосистемы и степени
Устойчивость сложных неупорядоченных пищевых сетей
В этом разделе будут рассмотрены некоторые интереснейшие работы Гарднера и Эшби*, Мэя [5] и Макмертри**, посвященные изучению взаимосвязей между устойчивостью, размером и сложностью
Бифуркации и усложненная динамика
Один из способов изучения стационарных состояний и динамики сложных систем с множеством взаимодействующих видов связан с анализом изменений, индуцированных плавным сдвигом одного из
Расположение популяций в пространстве
До сих пор мы принимали, что все популяции распределены в изучаемом объеме (пространстве) системы равномерно или такое распределение обеспечивается эффективным перемешиванием. Допущ
Смешанные популяции микроорганизмов в естественных системах и промышленных процессах
Смешанные популяции микроорганизмов играли важную роль уже в период возникновения жизни на земле. Позднее различные виды микроорганизмов выполняли важные функции в биосфере и ее эво
Применение смешанных культур определенного состава
Самым наглядным примером использования смешанных культур определенного видового состава является сыроделие. Гастрономическая сторона этих процессов известна каждому, но далеко не вс
Естественные смешанные популяции микроорганизмов и их роль в производстве и порче продуктов
Теперь перейдем к изучению процессов, в которых посевной материал поступает из естественных источников. При этом условии природа доминирующих видов определяется в основном составом
Участие микроорганизмов в естественных кругооборотах веществ
Большая часть рассмотренных нами выше примеров применения микроорганизмов так или иначе была связана с процессами, осуществляемыми и контролируемыми человеком. В связи с возрастающе
Кругооборот необходимых для жизни химических элементов
Кругооборот биологически важных химических элементов часто сопровождается циклическими изменениями степени их окисления. Это обстоятельство немаловажно, поскольку мы уже знаем, что
Взаимосвязи микроорганизмов в почве и некоторых других естественных экосистемах
Почва представляет собой сложную систему переменного состава, являющуюся отличной сферой обитания для микроорганизмов. Она состоит из тонкоизмельченных минералов (в основном алюмоси
Биологическая очистка сточных вод
В сточных водах содержится сложная смесь твердых и растворенных веществ, причем последние обычно присутствуют в очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех эти
Основные характеристики сточных вод
Понятно, что природа и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах зависят от их источника. Существуют два основных вида сточных вод—промышленные и бытовые. Последние загрязне
Процессы с участием активного ила
В процессах с участием активного ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический реактор. Как показано на рис. 14.10, этот аэробный реактор (аэротенк) св
Проектирование и моделирование процессов с участием активного ила
Хотя стоимость водоочистных станций большого города превышает 100 млн. долл., входящие в состав этих станций биологические реакторы обычно проектируют с помощью чрезвычайно упрощенн
Аэробная обработка ила
Активный ил с большим содержанием бнопродуктов, образующийся в рассмотренных выше процессах, часто подвергают еще одной операции аэробной обработки; фактически она повторяет описанн
Нитрификация
В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе подвергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсодержащие органические вещества. Из последних при биологич
Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров
В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные биологические фильтры. В биоло
Математическое моделирование динамики процесса анаэробной переработки ила
Несмотря на очевидные выгоды, связанные с образованием газообразного топлива и ценного удобрения (твердых отходов), метантенки заслужили плохую репутацию в силу ряда проблем, возник
Анаэробная денитрификация
В анаэробных условиях многие бактерии, которые могут утилизировать органические вещества и использовать нитрат и нитрит в качестве акцепторов электронов, восстанавливают азотсодержа
Отделение фосфорсодержащих соединений
В необработанных сточных водах фосфор обычно содержится в концентрации около 10 мг/л в виде ортофосфата, дегидратированного ортофосфата (полифосфата) и органических фосфорсодержащих
Упражнения
14.1. Проектирование процессов нитрификации. а) Какова величина БПК очищенной воды, если возраст ила определяли по заданной концентрации аммиака после очистки, т. е
Новости и инфо для студентов