Культивирлеудің хемостаттық режимі

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ

1. МАТЕРИАЛ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУДІҢ ӘДІСТЕРІ

1.1 Зерттеудің нысандары

1.2 Зерттеудің әдістері

2. ӘДЕБИ ШОЛУ

2.1 Культивирлеудің хемостаттық режимі

2.2 Культивирлеу кезіндегі микробтық популяцияның өсуі

3. МЕНШІКТІ ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ

3.1 Есеп № 1

3.2 Есеп № 2

ҚОРЫТЫНДЫ

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

Тақырыптың өзектілігі. Технологиялық кезеңдердің  ішіндегі биологиялық препарат өндірісінде микроағзаларды культивирлеу ең мәндісі болып табылады.  Культивирлеу – in vitro жағдайында микроағзаларды жасанды қоректік ортада өсіру.

Микроағзаларды культивирлеу екі негізгі режимде орындалады: периодтық және үздіксіз. Культивирлеудің бірінші типі жабық жүйеге, ал екіншісі– ашық жүйеге жатады.

Хемостат – микроорганизмдерді үздіксіз культивирлеуге арналған қондырғы. основанный на поддержании в питательной среде оптимальной для их экспоненциального роста концентрации необходимых субстратов. Достигается непрерывной подачей в биореактор свежей питательной среды (и вывода того же количества микробной суспензии). Скорость подачи среды контролируется специальными датчиками, реагирующими на концентрацию субстратов.

Мақсат және зерттеудің міндеттері. Жұмыстың мақсаты – микроағзалардың культурасын экспонанциалдық фазада өсуін зерттеу .  Бұл қойылған мақсатқа жету ушін келесі тапсырмаларды орындау керек:

• Хемостаттық культивирлеудің өзгешеліктерін зерттеу.
• Математикалық анализ әдісі арқылы хемостаттық культивирлеудің өсу механизмін зерттеу.
• Хемостаттық культивирлеу кезіндегі микроорганизм культурасының кинетикалық өсу параметрлерін анықтау.

Зерттеу жаңалықтары. Курстық жұмысты орындау кезіндегі зерттеу жаңалық микроағзалардың культурасын экспонанциалдық фазада өсуін зерттеу  болып табылады. Зерттеу нәтижелеріндегі ең тиімдісі хемостаттық культивирлеу болып табылды.

Практикалық мағынасы. Хемостаттық әдіс барлық микроорганизмдер және жануарлар мен өсімдіктердің әр түрлі ұлпа  жасушаларына қолданылады.  Микроорганизм популяциясының жасанды биосинтезінің әдістері қазіргі биология және медициналық өнеркәсіпте кең қолданыс табуда. Микроорганизмдердің пайдалы биомассасын өсіру хемостатта өндіріледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. МАТЕРИАЛ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУДІҢ ӘДІСТЕРІ

Технологияның заманауи дамуына тән ерекшеліктердің бірі мерзімді процестердің үздіксіз процестерге өтуі болып табылады. Мерзімді әдіс кезінде шектелген ғылыми негіздері бар эмпирикалық мәліметтер әдетте жеткілікті, ал бұл кезде үздіксіз әдістер үшін процестерді және олардың кинетикасын терең білу қажет етіледі.

Үздіксіз процестер құрамына заманауи үрдістің негізгі үш белгісі кіреді: жоғары өнімділік, автоматизациялау мүмкіндігі, процестер механизмін және кинетикасын білу негізінде реттеу.

Үздіксіз процестер кезінде технологияның жеке кезеңдерінде аппаратураны арнайыжәне өнімнің сапасын бақылауға мүмкіндіктер көбірек. Сонымен қатар, толық араластыру аппараттарында үрдістің тұрақты параметрлерін сақтауға болады және сол арқылы дақылды өндіріске қажетті физиологиялық жағдайда тұрақтандыруға мүмкіндік бар.

Үздіксіз жұмыс жасап жатқан толық араластыру аппаратында микроорганизмдерді дақылдау жағдайлары мерзімдіге қарағанда қолайлырақ. Біріншіден, үздіксіз жағдайда қоректік орта үнеміжаңарып тұрады, сондықтан микроорганизмдердің тіршілік әрекеттері нәтижесінде метаболиттің асқын коцентрациясы жинақталмайды. Ағынды қоректік заттар, биомасса және зат алмасу өнімдерініңконцентрациясынүнемі жаңартып отыратындай жүйеге қойылған.

Ашық үздіксіз жүйелер. Бұл жүйелерде клеткалар үнемі олардың түзілу жалдамдығы бойынша шайылып отырады. Берілген жүйелер бекітілген динамикалық режимде болуы мүмкін.

Ашық үздіксіз жүйелер дақыл құрамы тұрақты гомогенді және дақыл құрамы өзгеріп отыратын гетерогенді деп бөлінеді. Алғашқылары бірсатылы және көпсатылы деп ажыратылады.

Бірсатылы жүйелер, әдетте, бір толық араластыру аппаратынан тұрады . бұл үздіксіз жүйенің аппаратуралық безендірілуінің ең кең таралған типі. Айтарлықтай қарқынды араластыру кезінде барлық заттар мен микроорганизмдер концентрациялары арасында аппараттың бүкіл көлемі бойынша айырмашылықтар болмайды және шығып жатқан ағын концентрацияларына тең болап келеді. Аппаратқа бастапқы қоректік ортаны енгізу орнында оның компоненттерінің концентрациясы бастапқыдан аппараттың бүкіл көлемі бойынша анықталатын көрсеткіштерге дейін бірден өзгереді .

Көпсатылы жүйелер, әдетте, тізбектеліп байланысқан бірқатар аппараттардан тұрады (бірақ, 3-тен аспауы керек). Бұл жүйелер субстратты толық өңдеу немесе ағын суларды тазалау кезінде қажет емес өнімдерді алып тастау мақсатында қолданылады. Зерттеу практикасында аппараттардың батареясы популяцияларды өсудің әр түрді кезеңдерінде зерттеуге мүмкіндік береді. Кейде әр түрлі аппараттарға бір уақытта субстратты бірнеше рет қосу жүйесі пайдаланылады.

Жабық (тұйық) үздіксіз жүйелер. Бұл жүйелерде клеткалар жинақталады және олардың саны үнемі өседі. Берілген жүйелер ешқашан бекітілген динамикалық режимге жетпейді. Бұл жүйелер – ұзартылған мерзімді процесс, сондықтан оларды шексіз уақытта жұмыс жасауға қабілетті үздіксіз жүйелер ретінде қарастыруға болмайды. Жабық жүйелерде микроорганизмдер өткізгіш пленкалар (қабаттар) беткейлерінде немесе қатты беткейлерде өсіріледі. Бұл жүйелер, негізінен, зертханалық жағдайларда пайдаланылады.

 

Зерттеу әдістері. Курстық жұмысты орындау кезінде физико-химиялық әдіс қолданылды, яғни биохимиялық және математикалық анализ. Математикалық анализдан қолданлылғандары: вариациялық анализ, корреляциялық анализ және дисперсиялық анализ.

Математикалық анализдеу әдістері:

• Вариациялық талдау – бұл зерттелінетін жиынтық белгісінің индивидуальді мағынасының айырмашылығы. Вариация екі түрлі болады:  кездейсоқ және систематикалық.
• Есепті шығару методикасы:

а. Таңдау көлемін анықтау.

ә. Лимиттерді анықтау.

б. Кластар аралығын анықтау.

в. Графикалық вариациялық қатарды салу.

г. Орташа арифметикасын табу.

ғ. Орташа квадраттық ауытқуын табу.

д. Вариация коэффициентін анықтау.

е. Қатесін анықтау.

-   Есептеу формулалары:

         1. K= 

K-кластар аралығы; - лимиттер; L- кластар саны.

         2. X¯   

X¯A- модальді класс ортасы

         3. δ= – ()2   

δ – орташа квадраттық ауытқу.

         4. Cv =                        

Cv – вариация коэффициенті.

         5. =                          

mx – репрезентативті қате.

 

• Корреляция  – организмнің тіршілік жағдайына бейімделуінің нәтижесі.  Екі кездейсоқ шама – x және y бір-бірімен функциялық немесе статистикалық тәуелділікте болуы мүмкін.
• Корреляциялық анализ методымен келесі мәселелер шешіледі:

     1) Арақатынас. Параметрлер арасында арақатынас  бар ма жоқ па?

     2) Болжау. Егер  бір параметрдің тәртібі белгілі  болса, онда басқа параметрдің  тәртібін болжауға болады.

     3) Объектілердің  классификациясы мен идентификациясы. Корреляциялық анализ классификация  үшін тәуелсіз қасиеттерді таңдауға  көмектеседі.

      -  корреляционды  анализдеуде анықтаймыз: таңдау  көлемін, лимиттерді, корреляциялық  кесте құрамыз, коэффициенттерін, суммасын, корреляция коэффициентін.

      - Қолданылатын  формулалары:

        

          βx=     

 

          βy=     

 

          Sx = x

 

          Sy = y                

 

          r=                             

 

           = r*                           

 

           = r*                      

        

           - Дисперсия – әр түрлі факторлардың  әсер ету ықпалымен қасиеттердің  өзгеруі. Тәжірибелік өңдеулердің  данныйлары үшін дисперсияны  қолдану дисперсионды анализ деп аталады.

           - Қолдану мақсаты – зерттелінетін  қасиеттерге фактордың немесе  факторлардың әсерін бағалау.

          - Есептеу методикасы: дисперстік  комплекс құру, H* табу, дисперсияларды анықтау (жалпы, факториальді, қалдық), есептеудің дұрыстығын тексеру, қисық сызықты байланыс пен қорытынды қасиеттердің арасындағы және әсер етуші фактордың көрсеткішін табу, еркіндік деңгейін анықтау, девиатасын табу және соңында Фишер коэффициентімен салыстыру керек.

           - Қолданылатын формулалары:

2. Дисперсиялар

Жалпы:

Факториальды:

Қалдық:

3. Есептеудің дұрыстығын тексеру:

 

– қисық сызықты байланыс пен қорытынды қасиеттердің арасындағы және әсер етуші фактордың көрсеткіш:

,  

  4)Еркіндік деңгейінің  саны :   

-  факториальді дисперсия  үшін: Формула бойынша    

 градациялар

- қалдық дисперсия үшін:                                            

- жалпы дисперсия үшін: 

6.2 Девиата ( корректорлық дисперсия

- факториальді девиата:  

- қалдық девиата:

Фишер коэффициенті.

 

 

 Фишер кестесімен салыстыру:

 

 

 

• Тікелей талдау – аз көлемдегі таңдаулар үшін қолданылады.
• Тікелей талдау методикасы: Cx не екенін табу, корреляция коэффициенттерін табу, регрессия коэффициентін табу, орташа ұзындықтардың көрсеткішін анықтау, орташа квадраттық ауытқуды анықтау, вариация коэффициентін анықтау, орташа арифметикалық қателік пен дұрыстығын анықтау.
• Қолданылатын формулалары:

 

  

 

        

      

      

 

 

2. ӘДЕБИ ШОЛУ

Ресейде культивирлеу үдерісінің қағидасы мынадай көрікті ғалымдармен әзірленді, Н.Д. Иерусалим, П.И. Николаев, И.Л. Работновтың, И.Н. Позмогова, И. А. Баснакьян, шет елде - J. Monod, A. Novic, D. Herbert.

Культивирлеу процесі биологиялық препарат өндірісіндегі ең маңызды этаптың бірі болып табылады. Оған штаммдармен және қоректік ортаны даярлау жұмыстары тұр.  

Қазіргі таңда микроорганизмдерді культивирлеуге көп назар аударылуда. Басқару шараларына езу жылдамдығы, субстрат концентрациясы, культивирлеудің физико-химиялық параметрлері, араластырғыштың жылдамдығы жатады. 

МЕРЗІМДІ ДАҚЫЛДАУ ӘДІСІ

Микробиологиялық өндірістердің типтік технологиялық процестері бір-бірімен жалғасқан келесі кезеңдер түрінде болуы мүмкін:

- егу материалын дайындау;

- қоректік ортаны дайындау  және стерилизация;

- дақылдау (микробиологиялық  синтез);

- мақсатты өнімді бөліп  алу;

- кептіру;

- ұсақтау;

- стандартизация;

- қаптау.

Аппараттағы микроорганизмдер популяцияларының дамуының негізгі кезеңдері келесідей негізгі белгілер бойынша нақты бөлінуі мүмкін:

Бастапқы кезең – биомасса өсуі болмайды, dX/dtτ=0, X-Xn, мұндағы, Xn – егу материалын енгізгеннен кейінгі (егу мөлшері (дозасы)) биомассаның бастапқы концентрациясы.

Өсу кезеңі – үнемі ұлғаю X, dX/dτ>0.

Тепе-теңдік кезеңі - X=Xс, мұндағы Xс – соңғы концентрация, берілген жағдайлар кезінде максималды мүмкін.

Өлу кезеңі – үнемі азаю Х, dX/dτ<0.

Алайда өсудің қисық сызығының негізгі кезеңдерге және осы кезеңдер ішінде қосымша фазаларға бөлінуі шартты сипатқа ие. Бұл микроорганизмдер концентрациясын Х (немесе оған пропорционалды көрсеткіштерді) өлшеудің аздаған дәлдігімен байланысты және дамудың бүкіл мерзімі ішінде дақылдың физиологиялық жағдайының өзгеруі бірқалыпты болады.

Микроорганизмдерді мерзімді дақылдау. Егіс материалын алу барысында көбінесе дақылдаудың мерзімді әдісі қолданылады бактерияларды дақылдау кезінде қоректік ортаның компоненттері жанармайды және микроорганизмдердің метаболиттерін жинақтайды. Белгілі даму кезеңі өткеннен кейін, фазаның ауысқаны көрсетіледі, осы жағдайда микроорганизм өседі және көбейеді.

 

2.1 Культивирлеудің хемостаттық режимі

Хемостат. Бұндағы негізгі реттеуші фактор оқтын-оқтын тұрақты химиялық құрам болып табылады. Тұрақты сұйылту көлемі бойынша хемостатта шектеуші субстрат концентрациясына сәйкес келетін клеткалардың тұрақты концентрациясы анықталады. Хемостат ағынның аз жылдамдығы кезінде тұрақты жұмыс істейді.

Практикада бұл араластыруға кеткен уақыттың мөлшері аз болуы тиіс. V/F, мұндағы V — көлем, aл F — ағысының жылдамдығы.

 

2.2 Культивирлеу кезіндегі микробтық популяцияның өсуі

 

Жабық жүйедегi микроорганизмдердiң кинетикалық қисық өсуi күрделi сипатта жүредi. Культура дамуынын фазалары:

                      Х-биомассаның саны (1 мл-дегі жасуша саны); τ-уақыт,сағ.;

лаг фаза; өсуін жылдамдататын фаза;экспоненциалды фаза; өсуін баяулататын фаза; стационарлы фаза; өлу фазасы.

 

1. Лаг – фаза, яғни индукциялык период. Жасуша санынын өсуi және өнiмнiң түзiлуi жүрмейдi. Бұл периодта метаболизм жасушалары қайта құрылады.

2. Экспоненциалдық өсу  фазасы. Биомассаның және әр түрлi реакциялардың жылдам қоры жиналады.

3. Сызыктык өсу фазасы–  культураның сызықтық өсуiнде  бiрқалыптылық байқалады.

4. Баяу өсу фазасы –  культураның өсу жылдамдығы 0-ге  дейiн төмен түседi. Бұл период  аз уакытта өтедi. Қоректiк ортаның  төмендеуiнен басталады.

5. Стационарлык фаза – жасушалардың жалпы санының тұрақтылығы. Режимде жасушалардың өшуi едәуiр жоғарғы жылдамдықпен ерекшеленедi.

6. Жасушалардын өлу фазасы  – жасушалардың толық лизистерiнде  жүредi.

 

 

3. МЕНШІКТІ ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ

Задача. Выяснить механизм роста микробной популяции и определить кинетические параметры исходя из данных по стационарным концентрациям субстрата, биомассы и продукта при хемостатном культивировании.

Аналогиялық жағдай бойынша басқа культуралар үшін есептеулер жүргізілді және алынған нәтижелер 1 кестеде көрсетілген.

 

Кесте 1. Бастапқы концентрат тәуелділігіне сәйкес микроағзалар культурасының корреляциялық тәуелділігін зерттеу.

 

So, г/л
1	-1	1	-1
5	-1	1	-1
10	-1	1	-1
25

 

Кестеден көріп тұрғанымыздай барлық культурада корреляция коэффициенті толық теріс. Жоғарыда көрсетілген есептеулерді жүргізу нәтижесінде мен мынадай қорытынды жасадым: S0=1 тең болған жағдайда   х-ті 1-ге арттырсақ у -9,9715-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  х -0,10028-ға  артады.  х-ті 1-ге арттырсақ z -2.0302-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  z -0.20383-ға  артады.  z-ті 1-ге арттырсақ x -0.50003-ге артады, ал егер z-ті  1-ге арттырсак  y 4.99185-ға  артады. S0=5 тең болған жағдайда   х-ті 1-ге арттырсақ у -10-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  х -0,1-ға  артады.  х-ті 1-ге арттырсақ z -0.06-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  z -0.2034-ға  артады.  z-ті 1-ге арттырсақ x -0.0145-ге артады, ал егер z-ті  1-ге арттырсак  y 4.9140-ға  артады. S0=10 тең болған жағдайда   х-ті 1-ге арттырсақ у -10-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  х -0,0999-ға  артады.  х-ті 1-ге арттырсақ z -1.98-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  z -0.19968-ға  артады.  z-ті 1-ге арттырсақ x -0.497-ге артады, ал егер z-ті  1-ге арттырсак  y 5.008-ға  артады. S0=25 тең болған жағдайда   х-ті 1-ге арттырсақ у -10.16-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  х -0,099-ға  артады.  х-ті 1-ге арттырсақ z -1.995-ге артады, ал егер у-ті  1-ге арттырсак  z -0.199-ға  артады.  z-ті 1-ге арттырсақ x -0.466-ге артады, ал егер z-ті  1-ге арттырсак  y 4.741-ға  артады.

 

Өзгергіштіктің орташа ұзындығын анықтау бойынша көрсеткіштер:

 

So, г/л	X					y					z
1
5
10							79,29				2,016			3,331
25	9,65	86,56	3,65	3,05		0,931								4,14

 

Шешуі: S0=1 болған жағдайда барлық культуралар бойынша x үшін болуы қажет. Орташа есеппен0,560,1275  = 0.31242

Сv= 55.76 ережесіне сәйкес генералдық жиынтық лимиттері (0,56)   -0,37726 ден 1,49726 ге дейінгі аралықта.

S0=5 болған жағдайда барлық культуралар бойынша x үшін болуы қажет. Орташа есеппен  = 1,837

Сv= 87,06 ережесіне сәйкес генералдық жиынтық лимиттері (2,1105)   -3,4005 ден 7,6215 ге дейінгі аралықта.

S0=10 болған жағдайда барлық культуралар бойынша x үшін болуы қажет. Орташа есеппен=

Сv= 81,696 ережесіне сәйкес генералдық жиынтық лимиттері (4,928)   -7,15 ден 17,006 ге дейінгі аралықта.

S0=25 болған жағдайда барлық культуралар бойынша x үшін болуы қажет. Орташа есеппен= 9,65

Сv= 86,56 ережесіне сәйкес генералдық жиынтық лимиттері (11,148)   -17,802 ден 40,098 ге дейінгі аралықта.

 

Дисперсиондық анализ бойынша көрсеткіштер:

 

S0	He	Cy	Cx		Cz								F
1								2	3	5
5								2	3	5			1,21
10		191,097	68,507	122,59			641	2	4	6	34,2535	30,6475	1,118
25			339,238	696,963				2	4	6	169,619	174,241	0,973

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ҚОРЫТЫНДЫ

• Хемостаттық культивирлеудің өзгешеліктері зерттелінді.

• Математикалық анализ әдісі арқылы хемостаттық культивирлеудің өсу механизмі зерттелінді.

• Хемостаттық культивирлеу кезіндегі микроорганизм культурасының кинетикалық өсу параметрлері анықталынды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

1. Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.
2. Методы культивирования клеток. Л.: Наука, 2006. 315 с.
3. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978. 333 с.
4. Культура клеток растений. М.: Наука, 2005. 168 с.
5. Адамс Р. Методы культуры клеток для биохимиков. М.: Мир, 2007.
6. Новые методы культуры животных тканей. М.: Мир, 2006. 255 с.
7. Культура животных клеток. Методы / Под ред. Р. Ферши. М.: Мир,
8. Никольский Н. Н., Вахтин Ю. Б., Игнатова Т. Н. и др. Биология клетки в культуре. Л.: Наука, 2004. 280 с.
9. Баснакьян И. А. Культивирование микроорганизмов с заданными свойствами. М.: Медицина, 2008. 192 с.
10. Методы общей бактериологии. М.: Мир, 2008. Т. 1, ч. 2. С. 163?512.
11. Глеба Ю. Ю., Сытник К. М. Клеточная инженерия растений. Киев: Наук. думка, 2006. 160 с.
12. Андреева Е.А., Шульговская Е.М., Работнова И.Л.,Торможение роста Candida utilis Н+ и ОН-ионами. Микробиология. - 1970. - 39. - № 2. - С. 269-273.
13. Баснакьян И.А. Синхронно делящиеся культуры микроорганизмов как метод изучения в биологии. Микробиол. — 1965. №2. — С. 85.
14. Малек И. Роль непрерывных процессов и их изучения в развитии современной науки и в производстве. Непрерывное культивирования микроорганизмов. М : Пищевая пром-сть, 1968. С. 9.
15. Музыченко Jl. А., Валуев В.И. Использование полунепрерывного культивирования микроорганизмов для получения продуктов биосинтеза: Тез. докладов на 2 Всесоюзн. совещ. "Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов". М., 1978. — С. 112.