Chương 3 Động học sinh trưởng của tế bào

Hiểu biết đầy đủ động học sinh trưởng của các tế bào thực vật, động vật và vi sinh vật là rất cần thiết để thiết kế và hoạt động các hệ lên men. Động học tế bào có quan hệ với tốc độ sinh trưởng tế bào và chịu ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học. Động học tế bào là kết quả của hệ thống các phản ứng hóa sinh và các quá trình vận chuyển phức tạp, bao gồm nhiều pha và các hệ thống nhiều thành phần. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 3 Động học sinh trưởng của tế bàoChương 3 Động học sinh trưởng của tế bàoI. Mở đầ u Hiểu biết đầy đủ động học sinh trưởng của các tế bào thực vật,động vật và vi sinh vật là rất cần thiết để thiết kế và hoạt động các hệ lênmen. Động học tế bào có quan hệ với tốc độ sinh trưởng tế bào và chịuảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học. Động học tế bào là kết quả của hệ thống các phản ứng hóa sinh vàcác quá trình vận chuyển phức tạp, bao gồm nhiều pha và các hệ thốngnhiều thành phần. Trong suốt thời gian sinh trưởng, hỗn hợp không đồngnhất của các tế bào già và non thay đổi liên tục và tự thích nghi với môitrường dinh dưỡng là yếu tố cũng thay đổi liên tục trong các điều kiệnvật lý và hóa học. Nói chung, mô hình toán học chính xác của động họcsinh trưởng là không có thể có được. Thậm chí một mô hình thực tế cũngkhó tiếp cận bởi vì nó có thể chứa nhiều thông số không thể xác định. Vì thế, chúng ta cần giả định có thể đạt được những mô hình đơngiản như vậy sẽ hữu ích hơn cho việc thiết kế hệ thống lên men (xemchương 4) và dự báo hiệu suất. Các mô hình khác nhau có thể được pháttriển trên cơ sở các giả định về các thành phần và quần thể tế bào nhưtrình bày trong bảng 3.1. Ngoài các giả định đối với tế bào, môi trường được thiết kế sao chochỉ một thành phần có thể giới hạn tốc độ phản ứng, còn tất cả các thànhphần khác hiện diện ở các nồng độ đủ cao mà những thay đổi nhỏ củachúng không ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng. Các hệ thống lênmen cũng được kiểm soát sao cho các thông số môi trường như pH, nhiệtđộ và nồng độ oxygen hòa tan được duy trì ở một mức độ không đổi. Trong chương này, các phương trình động học tế bào bắt nguồn từmô hình được phân phối, không cấu trúc. Các phương trình này được ứngdụng để thiết kế và phân tích các hệ lên men lý tưởng. 23Công nghệ tế bào Bảng 3.1. Các mô hình khác nhau của động học tế bào. Các thành phần tế bào Quần thể Không cấu trúc Được cấu trúc (unstructured) (structured) Được phân phối Các tế bào được đại diện Các tế bào bao gồm nhiều bởi một thành phần đơn, thành phần phức tạp phân (distributed) phân phối không đồng đều phối không đồng đều trong trong quá trình nuôi cấy. quá trình nuôi cấy. Bị cô lập Các tế bào được đại diện Các tế bào bao gồm nhiều bởi một thành phần đơn, và thành phần phức tạp và tạo (segregated) tạo thành một hỗn hợp thành hỗn hợp không đồng không đồng nhất. nhất.II. Định nghĩa Trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa một số thuật ngữ dùng cho sinhtrưởng của tế bào. Nếu đề cập đến nồng độ tế bào mà không kèm theo bấtkỳ một ghi chú đặc điểm nào, thì nó có thể được hiểu theo nhiều nghĩa khácnhau. Đó có thể là số lượng tế bào, trọng lượng tươi tế bào, hoặc trọnglượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. Trong chương này, chúng tathống nhất các thuật ngữ sau: CX: nồng độ tế bào, trọng lượng khô tế bào trên một đơn vị thể tích. CN: mật độ số lượng tế bào, số lượng tế bào trên một đơn vị thể tích. ρ: mật độ tế bào, trọng lượng tươi tế bào trên một đơn vị thể tích củakhối lượng tế bào. Từ đó, có thể định nghĩa tốc độ sinh trưởng của tế bào theo một sốcách khác nhau như sau: dCX/dt: sự thay đổi nồng độ khô của tế bào theo thời gian. rX: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở trọng lượng khô. dCN/dt: sự thay đổi mật độ số lượng tế bào theo thời gian. rN: tốc độ sinh trưởng của tế bào trên cơ sở số lượng. δ: tốc độ phân chia của tế bào trên cơ sở số lượng d log 2 C N / dt 24Công nghệ tế bào Dường như dC X / dt và rX luôn luôn giống nhau, nhưng thực ra khôngphải như vậy. Giá trị dC X / dt là sự thay đổi nồng độ tế bào trong hệ lênmen, là yếu tố có thể bao gồm hiệu quả của tốc độ dòng chảy đi vào và đi ra,sự tái sinh tế bào, và các điều kiện hoạt động khác của hệ lên men. Trongkhi đó rX là tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào. Hai giá trị này chỉ giốngnhau trong trường hợp hoạt động lên men mẻ. Tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào và tốc độ sinh trưởng dựatrên trọng lượng tế bào không nhất thiết phải giống nhau, bởi vì kích thướctrung bình của các tế bào có thể rất khác nhau khi chuyển từ pha sinh trưởngnày đến pha sinh trưởng khác. Khi sinh khối của một tế bào riêng biệt tănglên mà không có sự phân chia, thì tốc độ sinh trưởng dựa trên trọng lượng tếbào cũng tăng lên, trong khi tốc độ sinh trưởng dựa trên số lượng tế bào lạigiữ nguyên. Tuy nhiên, trong suốt thời gian sinh trưởng theo hàm ...