Ріст і розмноження мікроорганізмів

Ріст і  розмноження мікроорганізмів

Вступ

Розмноження, або відтворення собі подібних, є  невід'ємною властивістю всіх живих  організмів — від вірусів до людини. Цей процес забезпечує існування  в часі кожного виду рослин і тварин, підтримання його чисельності і  спадковості між окремими поколіннями. Тільки внаслідок розмноження (поділу) існуючих клітин можуть утворюватись нові. Ріст, індивідуальний розвиток і постійне самооновлення тканин багатоклітинних організмів визначаються процесами поділу клітин. Підтримання життя таких особин у часі також зумовлюється розмноженням клітин, оскільки тривалість життя більшості клітин коротша, ніж особини.

Клітинні  культури знаходять усе більш  широке застосування в різних областях біології й медицини. Їх використають при рішенні таких загально біологічних  проблем, як з'ясування механізмів діференціровки й проліферації, взаємодії кліток із середовищем, адаптації, старіння, біологічної  рухливості, злоякісної трансформації. Важливу роль грають клітинні культури в біотехнології при виробництві  вакцин і біологічно активних речовин. Культури кліток застосовують для діагностики  й лікування спадкоємних захворювань, як тест-об'єкти при випробуванні нових  фармакологічних речовин. Використання культивованих кліток поза організмом для діагностики хвороб є логічним продовженням методу біопсії, при якій вилучений із організму фрагмент тканини піддають негайному (переважно  морфологічному) дослідженню.  

Однак завдяки  культивуванню можливості дослідження  й діагностики розширюються практично  безмежно, тому що є можливість оцінки не тільки морфологічних і біохімічних  змін, але також змін у поводженні кліток, їхніх реакцій на різні  агенти, у тому числі на лікарські  впливи. Відтворення культивованого клітками в ряді поколінь якого-небудь дефекту або зміни, властивого кліткам іn vіvo, свідчить про спадкоємну природу цього дефекту або зміни. Саме завдяки цій обставині культивовані клітки є коштовним об'єктом фізіологічної генетики. Останнім часом зріс інтерес до роботи з культивованими клітками, особливо у фахівців із застосування моноклональних антитіл, одержуваних методами гибридомної технології.  
Культивування мікроорганізмів - створення штучних умов для підтримки процесів життєдіяльності й розмноження мікробів іn vіtro. Із цією метою використають живильні (культуральні) середовища. Для одержання мікроорганізмів або продуктів їхньої життєдіяльності в промислових масштабах використають методи глубинного й безперервного культивування. 

1. Поняття  росту мікроорганізмів 

Під поняттям ріст розуміють гармонійне збільшення всіх хімічних компонентів, з яких складається  бактеріальна клітина. Ріст прокаріотів залежить насамперед від того, чи є в середовищі вода, поживні речовини, фізіологічне активні речовини тощо. Ріст паличкоподібних прокаріотних клітин відрізняється від кулястих. Перші ростуть переважно в напрямку довгої вісі, а другі — рівномірно в усіх напрямках. У зв'язку з цим співвідношення між поверхнею і об'ємом у паличкоподібних клітин під час їхнього росту істотно не змінюється. У кулястих — відносна величина поверхні клітини зменшується, оскільки їхня поверхня росте пропорційно квадрату радіусу, а об'єм — пропорційно кубу.

Ріст  бактерій завершується їхнім розмноженням, яке виявляється у збільшенні кількості особин мікробної популяції  на одиницю об'єму. Найчастіше бактерії розмножуються нестатевим, бінарним, поділом. Відомо два типи поділу бактеріальної клітини: за допомогою перегородки і перешнуровуванням. У разі першого типу поділу посередині бактеріальної клітини починає формуватися поперечна перегородка, яка спочатку складається з цитоплазматичної мембрани і розмежовує цитоплазму материнської клітини на дві дочірні. Далі синтезується оболонка і утворюються дві нові клітини.

Грамнегативні бактерії поділяються переважно  перешнуровуванням, тобто звужуванням  клітини в місцях поділу, аж доки вона не поділиться на дві. Різновидом бінарного поділу бактерій є брунькування. При цьому розмноженні на одному із полюсів материнської клітини утворюється брунька, яка в процесі росту збільшується до розмірів материнської клітини, а потім відділяється від неї. Під час брунькування оболонка бруньки повністю синтезується заново.

Рис. 1. Поділ клітини за допомогою поперечної перегородки

КС — клітинна стінка; ЦМ — цитоплазматична мембрана; Н — нуклеоїд;

ПП — поперечна перегородка

У деяких одноклітинних ціанобактерій виявлено множинний поділ. Йому передує реплікація хромосоми і збільшення розмірів материнської клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів, що приводить до утворення величезної кількості дрібненьких клітин. Ці клітини дістали назву беоцитів. Після розриву оболонки материнської клітини вони виходять назовні.

Період  від поділу до поділу клітини називається  онтогенезом, або клітинним циклом бактерій. Розрізняють кілька типів вегетативного клітинного циклу у бактерій: мономорфний, при якому утворюється лише один морфологічний тип клітини, наприклад у бактерій родів Васіїїш і Езспегісітіа; диморфний, коли формуються два морфологічних типи клітин, наприклад у бактерій роду СаиІоЬасІег, і поліморфний, при якому утворюються кілька моофологічно різних типів клітин

Серед актиноміцетів  поширене розмноження фрагментами  гіф, а деякі бактерії можуть розмножуватися за допомогою спор, але не ендоспор. Бактеріям притаманний високий  темп розмноження, що характеризується часом генерації, тобто часом, упродовж якого відбувається поділ бактеріальної  клітини. Час генерації визначається видом бактерій, їхнім віком і умовами довкілля. За сприятливих умов час генерації для багатьох видів бактерій коливається в межах від 15 до 30 хв.

Уявити  швидкість розмноження і утворення  бактеріальної маси допоможуть такі приклади. Якщо бактерія ділитиметься через кожні 20 хв. то з однієї бактерії за 24 год може утворитися 72 генерації. Це становить 472 • 1019 особин. Холерний вібріон за ЗО год спроможний дати таке потомство, яке могло б покрити  суцільним шаром усю поверхню земної кулі. Академік В.І. Вернадський  у своїй праці «Очерки геохимии»  наводить приклад, що «за сприятливих  умов одна бактерія за 4—5 днів може утворити 1036 особин, об'єм яких . дорівнює океанові».

Насправді ж у природі немає таких  ідеальних умов, за яких бактерії могли  б безперешкодно розмножуватися. Брак поживних речовин, несприятливі температурні умови, згубний вплив продуктів  обміну, поїдання бактерій іншими організмами  та багато інших чинників — усе  це негативно позначається на розмноженні  бактерій. Велика швидкість розмноження  прокаріотів — еволюційне пристосування  до збереження виду.

Надзвичайно важливою умовою процесу поділу бактерій є реплікація ДНК. Поділ клітини  починається лише через деякий час  по тому, як закінчиться реплікація ДНК. Є дані про те, що сигналом для  поділу клітини є початок реплікації молекули ДНК й що подвоєння ДНК  і поділ клітин відбуваються зі швидкістю, властивою для кожного виду бактерій.

У бактеріальній  популяції постійно відбувається ріст, розмноження і відмирання бактеріальних  клітин. Спостереження за розмноженням прокаріотів у замкнених системах на рідких живильних середовищах показують, що швидкість їхнього росту змінюється з часом. У живильному середовищі бактерії ростуть доти, доки вміст у ньому якогось із необхідних їм компонентів не досягне мінімуму; далі їхній ріст припиняється. Якщо протягом цього часу не додавати поживних речовин і не видаляти продуктів обміну, то дістанемо так звану статичну бактеріальну культуру.

Ріст  бактеріальної популяції в такій  «закритій системі» підлягає відповідним  закономірностям. Крива, яка описує залежність логарифмів числа клітин статичної культури від часу, дістала  назву кривої росту. Типова крива  росту має 8-подібну форму, яка  дає змогу розрізняти кілька фаз  росту, що змінюють одна одну у визначеній послідовності.

2. Фази  росту мікроорганізмів 

За вирощування  бактерій в рідкому живильному середовищі методом періодичного культивування  в оптимальних умовах умовно виділяють  фази росту бактеріальної популяції, які відображають загальну закономірність росту і розмноження бактеріальних  клітин.

1. Початкова  фаза, охоплює проміжок часу від  моменту висівання бактерій на  живильне середовище й до досягнення  максимальної швидкості росту.  В цей період бактерії пристосовуються  до умов культивування. Тривалість  цієї фази залежить від зовнішніх  умов, віку і видової специфічності  бактерій.

2. Експоненціальна,  або лог-ф а з а. В цей  період розмноження бактерій  відбувається з найбільшою швидкістю.  Кількість клітин збільшується  в геометричній прогресії. Внаслідок  інтенсивного розмноження клітин  відбувається швидке поглинання  поживних речовин із живильного  середовища і нагромадження в  ньому шкідливих продуктів обміну. Це, своєю чергою, сповільнює розмноження  культури і лог-фаза переходить  у наступну фазу.

3. Стаціонарна  фаза настає тоді, коли кількість  клітин перестає збільшуватись.  У цей період кількість новоутворених  клітин дорівнює числу відмерлих,  а тому кількість живих клітин  деякий час залишається незмінною.  Разом з цим стаціонарна фаза  характеризується максимальною  величиною біомаси, максимальною  життєдіяльністю мікробної популяції. 

4. Фаза відмирання. У цій фазі відмирання бактерій  переважає над розмноженням, зростає  гетерогенність культури тощо. Такий  стан бактеріальної популяції  зумовлюється зміною фізико-хімічних  властивостей поживного середовища  та іншими несприятливими чинниками.  Фаза відмирання досі ще недостатньо  вивчена. 

 Рис. 2. Схема  росту бактеріальної культури:

N — кількість  клітин (млн у \ мл); 1g N — те саме  в логарифмічному виразі; / — лаг-фаза; // — експоненціальна фаза; /// —  фаза сповільнення росту; IV —  максимальна стаціонарна фаза; V — фаза відмирання 

Виокремлюють  ще й фазу виживання, яка характеризується наявністю окремих клітин, що збереглися протягом тривалого часу в умовах загибелі більшості клітин мікробної  популяції. Висівання цих клітин на свіже поживне середовище показало, що вони зберегли здатність після лаг-фази активно рости і розмножуватися.

Під час  культивування бактерій в замкненій  системі вони весь час перебувають  в умовах, що постійно змінюються. Таке культивування дістало назву  непротокової культури. Спочатку бактерії мають у надлишку всі поживні  речовини, а далі поступово починають  відчувати їхню нестачу, одночасно  відбувається отруєння клітин продуктами обміну. Все це спричинює зниження швидкості росту мікробної популяції. Однак якщо додавати в середовище свіжі поживні речовини і водночас видаляти культуральну рідину, то бактерії можна утримувати в експоненціальній фазі росту будь-який час. Такий метод  покладено в основу протокового  (безперервного) культивування мікроорганізмів, яке здійснюється в хемостатах, турбідостатах та інших спеціальних культиваторах.

Суть  методу безперервного культивування  бактерій і грибів полягає в тому, що вирощувана культура міститься у  спеціальному приладі, в який постійно надходить свіже живильне середовище. З такою самою швидкістю з  культиватора витікає культуральна рідина з мікробами. Безперервне  культивування бактерій в культиваторах  автоматично регулюється, а тому воно дуже перспективне, оскільки забезпечує значне збільшення продуктивності цехів  при зменшенні затрат праці.

Отже, безперервне  культивування мікробів широко використовується не тільки для вивчення їх фізіології, біохімії, генетики тощо, а й інтенсивно впроваджується в практику мікробіологічної промисловості. Нині розроблено низку варіантів проточного культивування різних мікроорганізмів: напівбезперервне, багатоциклічне та ін.

У фізіологічних, цитогенетичних і генетичних дослідженнях часто використовують так звані  синхронні культури, в яких усі  клітини перебувають на тій самій  стадії клітинного циклу. Синхронізація бактеріальної культури здійснюється за допомогою фізичних і хіміко-біологічних методів.

У процесі  росту і розмноження відбуваються помітні зміни в житті прокаріотів. Ці зміни можна спостерігати в  нормальному циклі онтогенезу бактерій, який залежить від природи організмів, складності їх форм і послідовності  розвитку. Найпростіший цикл розвитку зафіксовано у кулястих бактерій: він ототожнюється з ростом клітини  та поділом їх. У бацил до циклу  розвитку за певних умов додається  й спороутворення.

Досить  складним циклом розвитку характеризуються міксобактерії, в яких вегетативні  клітини паличкоподібної форми  змінюють овальні або кулясті  клітини, скупчення яких разом зі слизом утворюють плодові тіла. Всередині цих тіл клітини переходять до стану'Спокою, перетворюючись на мікроспори і мікроцисти, що є закономірною стадією життєвого циклу міксобактерій.

Як уже  зазначалося вище, більшість бактерій розмножуються нестатевим шляхом і  існують у гаплоїдному стані. Однак ще 1946 р. Дж. Ледерберг і  Е. Татум виявили передавання  генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої шляхом безпосереднього контакту під час культивування двох штамів кишкової палички, що пізніше дало можливість встановити наявність статевої диференціації у бактерій. Цей процес було названо кон'югацією. Вона нагадує редукований статевий процес.

3. Технологічні основи біотехнологічних виробництв 

Найважливішим завданням будь-якого біотехнологічного  процесу є розробка й оптимізація  технології й апаратури для нього. При організації біотехнологічних виробництв частково був запозичений  досвід розвиненої на той час хімічної технології. Однак біотехнологічні  процеси мають істотну відмінність  від хімічних у силу того, що в  біотехнології використають більш  складну організацію матерії - біологічну. Кожний біологічний об'єкт (клітка, фермент) - це автономна саморегулююча  система.  

Природа біологічних процесів складна й  далеко не з'ясована остаточно. Для  мікробних популяцій, наприклад, характерна істотна гетерогенність по ряду ознак - вік, фізіологічна активність, стійкість  до впливу несприятливих факторів середовища. Гетерогенність також може бути обумовлена наявністю поверхонь фаз і  неоднорідністю умов середовища.  
У загальному виді будь-який біотехнологічний процес включає три основні стадії: предферментаційну, ферментаційну й постферментаційну. Принципова схема реалізації біотехнологічних процесів у загальному виді може бути представлена блок-схемою, у якій зроблена спроба охопити всі варіанти ферментаційних процесів (мал. 1.1). 
Рис. 1.1. Принципова схема реалізації біотехнологічних процесів (по У.Е. Вієстур і ін., 1987):   
1 - реактор для готування середовищ, 2 - вихровий насос, 3 - апарат для готування твердих середовищ, 4 - паровий стовпчик для підігріву середовищ до температури стерилізації, 5 - видержуватель середовищ при температурі стерилізації, 6 - теплообмінник для охолодження середовищ, 7 - мірник - збірник живильного середовища, 8 - дозатор, 9 - анаеробний ферментер, 10 - глибинний аеробний ферментер, 11 - біокаталітичний реактор, 12 - ферментер для поверхневої твердо фазної ферментації, 13 - те ж для поверхневої рідинної ферментації, 14 - екстрактор, 15 - сепаратор для відділення біомаси, 16 - система локальної автоматики, 17 - плазмолізатор біомаси, 18 - дезінтегратор біомаси, 19 - випарна установка, 20 - фракціонування дезінтегратів, 21 - сушарка й інші апарати для зневоднювання, 22 - апаратури для розфасовки продукту, 23 - іонообмінні колони, апарати для хімічних і мембранних методів виділення, центрифуги, фільтри, кристалізатори й ін. пристрої. Умовні позначки: рН - розчин для корекції рн, П - компоненти й середовища для підживлення, Пос - посівний матеріал, В - стиснене повітря, ПАВ - піногасник, Ср - стерильне живильне середовище, БА – біологічний агент. 
 

На предферментаційній стадії здійснюють зберігання й підготовку культури продуцента (інокулята), одержання  й підготовку живильних субстратів і середовищ, ферментаційних апаратур, технологічної й рециркуліруємої  води й повітря. Підтримка й підготовка чистої культури є дуже важливим моментом предферментаційної стадії, тому що продуцент, його фізіолого-біохімічні характеристики й властивості визначають ефективність усього біотехнологічного процесу.  

У відділенні чистої культури здійснюють зберігання виробничих штамів і забезпечують їх реактивацію й наробіток інокулята  в кількостях, необхідних для початку  процесу. При вирощуванні посівних доз інокулята застосовують принцип масштабування, тобто проводять послідовне нарощування біомаси продуцента в колбах, суліях, далі в серії послідовних ферментерів. Кожний наступний етап даного процесу відрізняється по обсягу від попереднього звичайно на порядок. Отриманий інокулят по стерильній посівній лінії направляється далі в апарат, у якому реалізується ферментаційна стадія.  
Готування живильних середовищ здійснюється у спеціальних реакторах, обладнаних мішалками. Залежно від розчинності й сумісності компонентів середовищ можуть бути застосовані окремі реактори. Технологія готування середовищ значно ускладнюється, якщо в їхній склад входять нерозчинні компоненти.  

У різних біотехнологічних процесах застосовуються різні по походженню й кількостям субстрати, тому процес їхнього готування  варіюється. Тому дозування живильних  компонентів підбирається й здійснюється індивідуально на кожному виробництві  відповідно до Технологічного регламенту конкретного процесу. Як дозуюче встаткування при цьому застосовуються вагові й об'ємні пристрої, використовувані в харчовій і хімічній промисловості. Транспорт речовин здійснюється насосами, стрічковими й шнековими транспортерами. Сипучі компоненти подають у ферментери за допомогою вакуумних насосів. Часто застосовують принцип попередніх сумішей, тобто солі попередньо розчиняють і потім транспортують по трубопроводах, дозуючи їхню подачу по обсягу. У силу виняткової розмаїтості біотехнологічних процесів і застосовуваних для їхньої реалізації середовищ, методів і апаратури розгляд даних елементів далі буде пов'язаний з конкретними біотехнологічними виробництвами.  

Стадія  ферментації є основною стадією  в біотехнологічному процесі, тому що в її ході відбувається взаємодія  продуцента із субстратом і утворення  цільових продуктів (біомас, ендо- і  екзопродуктів). Ця стадія здійснюється в біохімічному реакторі (ферментері) і може бути організована залежно від особливостей використовуваного продуцента й вимог до типу і якості кінцевого продукту різними способами. Ферментація може проходити в строго асептичних умовах і без дотримання правил стерильності (так звана "незахищена" ферментація); на рідких й на твердих середовищах; анаеробне й аеробне. Аеробна ферментація, у свою чергу, може протікати поверхово або глубинно (у всій товщі живильного) середовища. 
Культивування біологічних об'єктів може здійснюватися в періодичному й проточному режимах, напівбезупинно з підживленням субстратом. При періодичному способі культивування ферментер заповнюється вихідним живильним середовищем з інокулятом мікроорганізмів  
 

Протягом  певного періоду часу в апараті  відбувається взаємодія мікроорганізмів  і субстрату, зо супроводжується  утворенням у культурі продукту (Х + SP).  
Біохімічні перетворення в цьому апараті тривають від десятків годин до декількох діб. Регуляція умов усередині ферментера - найважливіше завдання періодичного культивування мікроорганізмів. У ході періодичної ферментації вирощувана культура проходить ряд послідовних стадій: лаг-фазу, експонентну, уповільнення росту, стаціонарну й відмирання. При цьому відбуваються істотні зміни фізіологічного стану біооб’єкта, а також ряду параметрів середовища. 

Цільові продукти утворюються в експонентній (первинні метаболіти - ферменти, амінокислоти, вітаміни) і стаціонарній (вторинні метаболіти - антибіотики) фазах, тому залежно від цілей біотехнологічного  процесу в сучасних промислових  процесах застосовують принцип диференційованих режимів культивування.  

У результаті цього створюються умови для  максимальної продукції того або  іншого цільового продукту. Періодично ферментер спорожняють, роблять  виділення й очищення продукту, і  починається новий цикл.  

Безперервне культивування 
Безперервний процес культивування мікроорганізмів має істотні переваги перед періодичним. Безперервна ферментація здійснюється в умовах сталого режиму, коли мікробна популяція і її продукти найбільш однорідні. Застосування безперервних процесів ферментації створює умови для ефективного регулювання й керування процесами біосинтезу. Системи безперервної ферментації можуть бути організовані за принципом повного витиснення або повного змішання.

Процес  ферментації здійснюється в довгій трубі, у якій з одного кінця безупинно  надходять живильні компоненти й  інокулят, а з іншого з тією ж  швидкістю випливає культуральна рідина. Дана система проточної ферментації  є гетерогенною.  
При безперервній ферментації у ферментах повного змішання (го-могенно-проточний спосіб) у всій масі ферментаційного апарата створюються однакові умови. Застосування таких систем ферментації дозволяє ефективно управляти окремими стадіями, а також всім біотехнологічним процесом і стабілізувати продуцент у практично будь-якому, необхідному експериментаторові або біотехнологу стані. Керування подібними установками здійснюється двома способами (мал. 1.4). 
  
Турбидостатний спосіб базується на вимірі мутності потоку, який виходить. Вимір мутності мікробної суспензії, викликаний ростом кліток, є мірою швидкості росту, з якою мікроорганізми виходять із біореактора. Це дозволяє регулювати швидкість надходження у ферментер свіжого живильного середовища. Другий метод контролю, - хемостатний, простіше. Керування процесом у хемостаті здійснюється виміром не вихідного, а вхідного потоку. При цьому концентрацію одного з компонентів живильного середовища (вуглець, кисень, азот), що надходить у ферментер, установлюють на такому рівні, при якому інші живильні компоненти перебувають у надлишку, тобто концентрація, що лімітується біогенного елемента обмежує швидкість розмноження кліток у культурі.   
Безперервний процес культивування мікроорганізмів має істотні переваги перед періодичним.   
Для безперервного (проточного) культивування, на відміну від періодичного, культури характерна постійна подача свіжих живильних компонентів зі швидкістю, рівною швидкості видалення середовища з культури (відкрита система). Якщо культура добре перемішується, то проби, узяті з будь-якої частини ферментера, будуть однакові по біомасі й концентрації субстрату. По складу вони ідентичні також культуральній рідини, що випливає з ферментера.  
При безперервному культивуванні теоретично бактерії ростуть експоненціально в умовах постійної подачі свіжого середовища й видалення частини кліток разом зі старим середовищем, так що обсяг культури згодом не міняється.  
Загалом кажучи, постійна концентрація кліток для безперервного культивування не обов'язкова. Однак у більшості робіт з вивчення кількісних аспектів безперервного культивування описуються системи з постійною концентрацією біомаси. Розглянуті нижче принципи відносяться тільки до безперервного культивування в рівноважному стані. 
Термін "рівноважний стан" часто вживають у літературі у зв'язку з безперервним культивуванням; буквально він означає, що під час дослідження не відбувається зміни стану культури. Насправді це визначення занадто широке, оскільки на практиці при безперервному культивуванні деякі параметри можуть мінятися, тоді, як інші при цьому залишаються постійними. Тому безперервну культуру в рівноважному стані визначають як культуру з постійною концентрацією біомаси в певний період спостереження. На противагу цьому в періодичній культурі постійна концентрація розчиненого кисню підтримується змінами, що відбуваються в середовищі, але зміст у ній біомаси міняється. 
Безперервне культивування в рівноважному стані можливо тільки в тому випадку, коли всі вступні потоки, необхідні для нагромадження біомаси, точно збалансовані з потоками, що беруть участь у виході біомаси із системи. 
Теоретично обсяг чисто безперервної культури не міняється (на практиці він підданий незначним коливанням). Отже, швидкості подачі середовища у ферментер, і виходу культури з нього повинні бути однаковими. Нарешті, оскільки питома швидкість загибелі кліток майже завжди значно менше питомої швидкості їхнього росту, величину швидкості можна не брати до уваги. Виключення із цього правила спостерігається тільки при дуже низьких швидкостях росту мікроорганізмів, у присутності токсичних речовин або у випадку культивування в екстремальних біофізичних умовах. 
Іншими словами, питома швидкість росту популяції у ферментері визначається швидкістю розведення D яка дорівнює p/y.  
Існує багато типів безперервного культивування. В обговоренні ми обмежимося двома основними типами безперервного культивування: "хемостатом", у якому стан рівноваги досягається шляхом регулювання надходження субстратів, що лімітують ріст, і "турбидостатом", у якому стан рівноваги досягається шляхом видалення біомаси й заміщення її свіжим середовищем зі швидкістю, що відповідає росту культури. 
 
Турбидостатний режим культивування 

Турбидостатне культивування являє собою найпростішу  систему безперервного культивування. Концентрація кліток при турбидостатному  культивуванні регулюється постійним  підстроюванням швидкості надходження  живильних компонентів. Концентрацію біомаси в турбидостаті вибирає  оператор, а швидкість розведення й концентрація субстратів підтримується  так, щоб зберігався заданий рівень біомаси. 
Принцип роботи турбидостата заснований на підтримці постійної щільності бактеріальної популяції в апараті, безперервна культура постійно перебуває в найбільш бажаній фазі росту, при якій забезпечується максимальний вихід біологічно важливих з'єднань або біомаси. Турбидостатне культивування здійснюють тоді, коли лімітований фактор не відомий або в ньому немає необхідності, тому субстрат додається у ферментер у надлишку. Надлишок всіх живильних компонентів середовища робить роботу турбидостата стабільною.  

Турбидостат дозволяє регулювати систему в широких  інтервалах концентрації біомаси при  швидкостях розведення, близьких до Dкр. Швидкість розведення в турбидостаті дорівнює питомої швидкості росту  за умови, що X залишається постійною  величиною. Сигналом для подачі й  регулювання швидкості потоку середовища може бути не тільки оптична щільність, але й будь-який параметр середовища, що піддається виміру електродом, що переводить величину вимірюваного параметра у  величину електричного потенціалу.  

Оскільки  основні метаболічні функції (поглинання бактеріями кисню, виділення вуглекислого газу, зміна кислотності), тісно зв'язані  зі швидкістю росту кліток і, в  остаточному підсумку, з питомою  швидкістю росту культури, саме ці показники частіше інших використають як вимірювані змінні при регулюванні  потоку середовища. 

Турбидостатне культивування може здійснюватися  одностадійно й двустадійно, тобто  в одному ферментері або двох послідовно з'єднаних між собою ферментерах.  

Одностадійне  турбидостатне культивування використається для одержання максимальної швидкості  росту. При двустадійному турбидостатному  культивуванні в другому ферментері, можливо, відтворити фазу росту, пов'язану  із синтезом вторинних метаболітів (фазу стаціонарного максимуму). 
При низьких концентраціях субстрату й при низькій концентрації кліток можна повернути у ферментер частину біомаси, що випливає з нього. Повернення підвищує концентрацію кліток і прискорюють процес. Варіантів повернення біомаси може бути кілька. Сепарують культуру, що випливає, і згущену частину повертають у ферментер. Установлюють різні фільтруючі пристрої, що дозволяють випливати культуральній рідини, але затримуючі клітки.  

Турбидостатнмй  режим культивування базується  на прямому контролі концентрації біомаси. Найпоширенішим методом її визначення є вимір світорозсіювання за допомогою  фотоелементів. Підвищення концентрації кліток і відповідно до оптичній щільності  автоматично прискорює проток рідини й навпаки.  

По своїй  конструкції турбидостати відрізняються  від хемостатів лише системами контролю швидкості протоки. Хемостати застосовуються в процесах, що характеризуються малою  протокою, коли концентрація кліток змінюється незначно зі зміною швидкості протоки, що полегшує саморегулювання системи.  

Технічно  найпростіший турбидостат відрізняється  від хемостата тільки наявністю  датчика оптичної щільності й  виконавчого механізму (дозатора живильного) середовища, що включається при досягненні культурою заданої щільності. Оптична  система дозволяє підтримувати стійкий  режим при різниці щільності  до й після розведення на рівні  нижче 1% від заданої щільності, що дозволяє вважати динаміку щільності  практично незмінною й користуватися  диференціальними рівняннями для її формального опису. 
Турбидостат являє собою систему культивування, що включає реактор, у який безупинно подається живильне середовище, з якого відбирається культура. Швидкості подачі середовища й відбору культури повинні бути рівні, що забезпечує сталість обсягу культури.  

Один  з найпростіших варіантів турбидостата з автоматичною підтримкою обсягу культури в реакторі зображений на схемі. Культиватор  для вирощування складається  з освітлюваного реактора (фотореактор), що барботирується газоповітряною сумішшю, що містить вуглекислий газ. Барботаж забезпечує перемішування культури, вуглецеве харчування кліток і відвід кисню. З ємності з живильним  середовищем, з постійно заданою  швидкістю, у реактор надходить  середовище. Через отвір у реакторі, розташований на певній висоті, культура безупинно зливається в ємність  для збору врожаю. Це забезпечує при постійній швидкості доливки  сталість швидкості зливу і їхню рівність. Крім того, така система автоматично  підтримує постійний обсяг культури у фотореакторі. 
Система для турбидостатных культур 
  

Область використання турбидостатів - високі швидкості  розведення, що обумовлюють швидку й різку зміну концентрації біомаси. З технічної точки зору турбидостат  може застосовуватися тільки для  культивування одноклітинних мікроорганізмів. При тривалому культивуванні  в турбидостаті виникає досить серйозна проблема, пов'язана із прилипанням  кліток до фотоелемента.