केमोस्टेट

Chemostat
A chemostat diagram featuring inflow (feed) and outflow (effluent).
Industry	Biological engineering
Application	Research and Industry

सूक्ष्मजीवों के नियंत्रित विकास के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रवाह के मध्यम और बहिर्वाह के निरंतर और समायोज्य प्रवाह के साथ संलग्न केमोस्टैट पोत। प्रणाली एक निरंतर मात्रा और वातन का स्तर बनाए रखती है। सूक्ष्मजीवों की वृद्धि दर को ताजा माध्यम के प्रवाह में हेरफेर करके नियंत्रित किया जाता है, जबकि सीमित पोषक तत्व की एकाग्रता को बदलकर जनसंख्या घनत्व को नियंत्रित किया जाता है। यह खुली प्रणाली शोधकर्ताओं को शारीरिक प्रयोगों में उपयोग के लिए कोशिकाओं के घातीय वृद्धि चरण को बनाए रखने की अनुमति देती है।

एक केमोस्टैट ("रासायनिक वातावरण से" स्टेट "आईसी है) एक बायोरिएक्टर है जिसमें ताजा माध्यम लगातार जोड़ा जाता है, जबकि पोषक तत्वों, चयापचय अंत उत्पादों और सूक्ष्मजीवों से युक्त कल्चर तरल को उसी दर पर लगातार हटा दिया जाता है संस्कृति मात्रा स्थिर रखने के लिए। बायोरिएक्टर में किस माध्यम को जोड़ा जाता है इसकी दर को बदलकर सूक्ष्मजीव की विशिष्ट वृद्धि दर को सीमा के भीतर आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है।

ऑपरेशन

स्थिर अवस्था

केमोस्टैट्स की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक यह है कि सूक्ष्मजीवों को निरंतर पर्यावरणीय परिस्थितियों में शारीरिक स्थिर अवस्था में उगाया जा सकता है। इस स्थिर अवस्था में, विकास एक निरंतर विशिष्ट विकास दर पर होता है और सभी संस्कृति पैरामीटर स्थिर रहते हैं (कल्चर वॉल्यूम, घुलित ऑक्सीजन एकाग्रता, पोषक तत्व और उत्पाद सांद्रता, पीएच, सेल घनत्व, आदि)। इसके अलावा, पर्यावरणीय परिस्थितियों को प्रयोगकर्ता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। केमोस्टैट्स में बढ़ने वाले सूक्ष्मजीव आमतौर पर विकास दर और पोषक तत्वों की खपत के बीच नकारात्मक प्रतिक्रिया के कारण एक स्थिर स्थिति में पहुंच जाते हैं: यदि बायोरिएक्टर में कम संख्या में कोशिकाएं मौजूद हैं, तो कोशिकाएं कमजोर पड़ने की दर से अधिक विकास दर से बढ़ सकती हैं क्योंकि वे कम पोषक तत्वों का उपभोग करती हैं। इसलिए प्रवाहित ताजा माध्यम के साथ पोषक तत्वों को सीमित करने के अलावा विकास कम सीमित है। सीमित पोषक तत्व विकास के लिए आवश्यक पोषक तत्व है, जो माध्यम में सीमित सांद्रता में मौजूद होता है (अन्य सभी पोषक तत्व आमतौर पर अधिशेष में आपूर्ति किए जाते हैं)। हालाँकि, कोशिकाओं की संख्या जितनी अधिक होती है, उतने ही अधिक पोषक तत्वों की खपत होती है, सीमित पोषक तत्वों की सांद्रता कम होती है। बदले में, यह कोशिकाओं की विशिष्ट वृद्धि दर को कम कर देगा जिससे कोशिकाओं की संख्या में गिरावट आएगी क्योंकि वे सिस्टम से बहिर्वाह के साथ हटाए जाते रहेंगे। इसका परिणाम स्थिर अवस्था में होता है। स्वनियमन के कारण स्थिर अवस्था स्थिर होती है। यह प्रयोगकर्ता को पोत में ताजा माध्यम खिलाने वाले पंप की गति को बदलकर सूक्ष्मजीवों की विशिष्ट वृद्धि दर को नियंत्रित करने में सक्षम बनाता है।

अच्छी तरह मिश्रित

केमोस्टैट्स और अन्य निरंतर संस्कृति प्रणालियों की एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि वे अच्छी तरह से मिश्रित होते हैं ताकि पर्यावरण की स्थिति समरूप या समान हो और सूक्ष्मजीव बेतरतीब ढंग से फैले हुए हों और एक-दूसरे से बेतरतीब ढंग से मिलें। इसलिए, biofilms के विपरीत, केमोस्टैट में प्रतिस्पर्धा और अन्य इंटरैक्शन वैश्विक हैं।

कमजोर पड़ने की दर

पोषक तत्वों के आदान-प्रदान की दर को कमजोर पड़ने की दर डी के रूप में व्यक्त किया जाता है। स्थिर अवस्था में, सूक्ष्म जीव की विशिष्ट वृद्धि दर μ कमजोर पड़ने की दर डी के बराबर होती है। कमजोर पड़ने की दर को समय की प्रति इकाई माध्यम के प्रवाह के रूप में परिभाषित किया जाता है, एफ, बायोरिएक्टर में संस्कृति की मात्रा V से अधिक

$D={\frac {\text{medium flow rate}}{\text{culture volume}}}={\frac {F}{V}}$

अधिकतम विकास दर और महत्वपूर्ण कमजोर पड़ने की दर

विशिष्ट वृद्धि दर μ उस समय से विपरीत रूप से संबंधित होती है जब बायोमास दोगुना हो जाता है, इसे दोगुना करने का समय कहा जाता है t_d, द्वारा:

$\mu ={\frac {\ln 2}{t_{d}}}$

इसलिए, दोहरीकरण समय टी_d स्थिर अवस्था में तनुकरण दर D का कार्य बन जाता है:

$t_{d}={\frac {\ln 2}{D}}$

एक विशेष सब्सट्रेट पर बढ़ने वाले प्रत्येक सूक्ष्मजीव में अधिकतम विशिष्ट विकास दर μ होती है_max (विकास की दर देखी गई यदि विकास बाहरी पोषक तत्वों के बजाय आंतरिक बाधाओं से सीमित है)। यदि कमजोर पड़ने की दर को चुना जाता है जो μ से अधिक है_max, कोशिकाएं उतनी तेजी से नहीं बढ़ सकती जितनी तेजी से उन्हें हटाया जा रहा है, इसलिए संस्कृति बायोरिएक्टर में खुद को बनाए रखने में सक्षम नहीं होगी, और धो देगी।

हालांकि, चूंकि केमोस्टेट में सीमित पोषक तत्व की एकाग्रता फ़ीड में एकाग्रता से अधिक नहीं हो सकती है, विशिष्ट विकास दर जो कोशिकाओं को केमोस्टैट में पहुंच सकती है, आमतौर पर अधिकतम विशिष्ट विकास दर से थोड़ी कम होती है क्योंकि विशिष्ट वृद्धि दर आमतौर पर पोषक तत्वों के साथ बढ़ जाती है मोनोड समीकरण के कैनेटीक्स द्वारा वर्णित एकाग्रता। उच्चतम विशिष्ट विकास दर (μ_max) कोशिकाएं महत्वपूर्ण कमजोर पड़ने की दर (D') के बराबर प्राप्त कर सकती हैं_c):

$D=\mu _{\max }{S \over K_{S}+S},$

जहां एस केमोस्टैट और के में सब्सट्रेट या पोषक तत्व एकाग्रता है_S अर्ध-संतृप्ति स्थिरांक है (यह समीकरण मोनोड कैनेटीक्स मानता है)।

अनुप्रयोग

अनुसंधान

अनुसंधान में कैमोस्टैट्स का उपयोग कोशिका जीव विज्ञान में जांच के लिए किया जाता है, एक समान कोशिकाओं या प्रोटीन की बड़ी मात्रा के स्रोत के रूप में। केमोस्टैट का उपयोग अक्सर जीव के बारे में स्थिर स्थिति डेटा एकत्र करने के लिए किया जाता है ताकि इसकी चयापचय प्रक्रियाओं से संबंधित गणितीय मॉडल तैयार किया जा सके। केमोस्टैट्स का उपयोग सूक्ष्म जगत के रूप में भी किया जाता है: पारिस्थितिकी में मॉडल / प्रायोगिक पारिस्थितिकी तंत्र और विकासवादी जीव विज्ञान। एक मामले में, उत्परिवर्तन/चयन एक उपद्रव है, दूसरे मामले में, यह अध्ययन के तहत वांछित प्रक्रिया है। केमोस्टैट्स का उपयोग संस्कृति में विशिष्ट प्रकार के बैक्टीरियल म्यूटेंट जैसे कि औक्सोट्रॉफ़्स या जो आगे के वैज्ञानिक अध्ययन के लिए एंटीबायोटिक दवाओं या जीवाणुभोजी के लिए प्रतिरोधी हैं, के लिए संस्कृति को समृद्ध करने के लिए भी किया जा सकता है। कमजोर पड़ने की दर में भिन्नता विभिन्न विकास दर पर जीवों द्वारा अपनाई जाने वाली चयापचय रणनीतियों के अध्ययन की अनुमति देती है। एकल और बहुसंख्यक संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा, संसाधन अधिग्रहण और उपयोग के रास्ते का विकास, क्रॉस-फीडिंग/सहजीवन, कीमोस्टैट्स का उपयोग करके पारिस्थितिकी और विकासवादी जीव विज्ञान में शिकारियों के बीच दुश्मनी, शिकार और प्रतिस्पर्धा का अध्ययन किया गया है।

उद्योग

इथेनॉल के औद्योगिक निर्माण में अक्सर केमोस्टैट्स का उपयोग किया जाता है। इस मामले में, श्रृंखला में कई केमोस्टैट्स का उपयोग किया जाता है, प्रत्येक चीनी सांद्रता को कम करने पर बनाए रखा जाता है। केमोस्टैट जैव प्रौद्योगिकी उद्योग में निरंतर सेल संस्कृतियों के एक प्रायोगिक मॉडल के रूप में भी कार्य करता है।

तकनीकी चिंताएं

• फोमिंग का परिणाम तरल की मात्रा के साथ अतिप्रवाह होता है जो बिल्कुल स्थिर नहीं होता है।
• आंदोलन (क्रिया) और वातन के दौरान कुछ बहुत नाजुक कोशिकाएं फट जाती हैं।
• कोशिकाएँ दीवारों पर विकसित हो सकती हैं या अन्य सतहों से चिपक सकती हैं, जिसे हाइड्रोफोबिक प्रदान करने के लिए पोत की कांच की दीवारों को silane के साथ इलाज करके दूर किया जा सकता है। हालांकि, दीवारों से जुड़ने के लिए सेल का चयन किया जाएगा क्योंकि जो ऐसा करते हैं उन्हें सिस्टम से हटाया नहीं जाएगा। वे बैक्टीरिया जो biofilm बनाने वाली दीवारों पर मजबूती से चिपक जाते हैं, केमोस्टेट स्थितियों के तहत अध्ययन करना मुश्किल होता है।
• मिश्रण वास्तव में एक समान नहीं हो सकता है, केमोस्टैट की स्थिर संपत्ति को परेशान करता है।
• मीडिया को कक्ष में टपकाने से वास्तव में पोषक तत्वों की छोटी दालें निकलती हैं और इस प्रकार सांद्रता में दोलन होते हैं, फिर से केमोस्टैट की स्थिर संपत्ति को परेशान करते हैं।
• बैक्टीरिया काफी आसानी से ऊपर की ओर यात्रा करते हैं। वे बाँझ माध्यम के जलाशय तक जल्दी पहुँचेंगे जब तक कि तरल पथ एक वायु विराम से बाधित न हो जिसमें माध्यम हवा के माध्यम से बूंदों में गिरता है।

प्रत्येक दोष को ठीक करने के निरंतर प्रयास से मूल केमोस्टैट पर काफी नियमित रूप से बदलाव होते हैं। साहित्य में उदाहरण असंख्य हैं।

• फोमिंग को दबाने के लिए एंटीफोमिंग एजेंटों का उपयोग किया जाता है।
• आंदोलन और वातन धीरे-धीरे किया जा सकता है।
• दीवार की वृद्धि को कम करने के लिए कई तरीके अपनाए गए हैं
• विभिन्न अनुप्रयोग मिश्रण के लिए पैडल, बबलिंग या अन्य तंत्र का उपयोग करते हैं
• छोटी बूंदों और बड़े बर्तन की मात्रा के साथ टपकने को कम कठोर बनाया जा सकता है
• कई सुधार संदूषण के खतरे को लक्षित करते हैं

प्रायोगिक डिजाइन विचार

पैरामीटर पसंद और सेटअप

• केमोस्टैट में सीमित सब्सट्रेट की स्थिर अवस्था सांद्रता प्रवाह की सघनता से स्वतंत्र होती है। प्रवाह की सघनता कोशिका की सघनता और इस प्रकार स्थिर अवस्था OD को प्रभावित करेगी।
• भले ही केमोस्टैट में सीमित सब्सट्रेट सांद्रता आमतौर पर बहुत कम होती है, और असतत अत्यधिक केंद्रित प्रवाह दालों द्वारा बनाए रखा जाता है, व्यवहार में केमोस्टैट के भीतर एकाग्रता में अस्थायी भिन्नता छोटी (कुछ प्रतिशत या उससे कम) होती है और इस प्रकार देखी जा सकती है अर्ध-स्थिर अवस्था के रूप में।
• सेल डेंसिटी (OD) को एक स्थिर-अवस्था मान (ओवरशूट/अंडरशूट) में परिवर्तित होने में लगने वाला समय अक्सर लंबा होगा (मल्टीपल केमोस्टैट टर्नओवर), खासकर जब प्रारंभिक इनोकुलम बड़ा होता है। लेकिन, उचित पैरामीटर विकल्प के साथ समय को कम किया जा सकता है।

स्थिर राज्य विकास

• एक केमोस्टेट स्थिर अवस्था में प्रतीत हो सकता है, लेकिन म्यूटेंट स्ट्रेन टेकओवर लगातार हो सकता है, भले ही वे ओडी या उत्पाद सांद्रता जैसे मैक्रो स्केल मापदंडों की निगरानी के द्वारा पता लगाने योग्य न हों।
• सीमित सब्सट्रेट आमतौर पर इतनी कम सांद्रता पर होता है कि यह ज्ञानी नहीं होता है। नतीजतन, सीमित सब्सट्रेट की एकाग्रता समय के साथ (प्रतिशत-वार) बहुत भिन्न हो सकती है क्योंकि अलग-अलग उपभेद आबादी को ले लेते हैं, भले ही आयुध डिपो में परिवर्तन का पता लगाने के लिए बहुत छोटा हो।
• एक "स्पंदित" केमोस्टैट (बहुत बड़ी प्रवाह वाली दालों के साथ) में एक मानक अर्ध-निरंतर केमोस्टेट की तुलना में काफी कम चयनात्मक क्षमता होती है, जो सीमित स्थितियों में बढ़ी हुई फिटनेस के साथ उत्परिवर्ती तनाव के लिए होती है।
• सब्सट्रेट एकाग्रता को सीमित करने वाले प्रवाह को अचानक कम करके, कोशिकाओं को अपेक्षाकृत कठोर परिस्थितियों में अस्थायी रूप से अधीन करना संभव है, जब तक कि केमोस्टेट स्थिर स्थिति में वापस स्थिर न हो जाए (कमजोर पड़ने की दर डी के समय क्रम पर)।

उत्परिवर्तन

• कुछ प्रकार के उत्परिवर्ती उपभेद तेजी से दिखाई देंगे:
  • यदि कोई एकल-न्यूक्लियोटाइड बहुरूपता है जो फिटनेस को बढ़ा सकता है, तो यह आबादी में केवल कुछ केमोस्टैट दोहरीकरण के बाद दिखाई देना चाहिए, विशेष रूप से बड़े केमोस्टैट्स (जैसे 10 ^ 11 ई कोलाई कोशिकाओं) के लिए।
  • एक तनाव जिसके लिए दो विशिष्ट एसएनपी की आवश्यकता होती है, जहां केवल उनका संयोजन एक फिटनेस लाभ देता है (जबकि प्रत्येक एक अलग से तटस्थ है), केवल तभी प्रकट होने की संभावना है जब लक्ष्य आकार (विभिन्न एसएनपी स्थानों की संख्या जो एक लाभप्रद उत्परिवर्तन को जन्म देती है) प्रत्येक एसएनपी के लिए बहुत बड़ा है।
• अन्य प्रकार के उत्परिवर्ती उपभेदों (उदाहरण के लिए छोटे लक्ष्य आकार के साथ दो एसएनपी, अधिक एसएनपी या छोटे केमोस्टैट्स में) प्रकट होने की अत्यधिक संभावना नहीं है।
  • इन अन्य म्यूटेशनों की उम्मीद केवल फिटनेस लाभ के साथ म्यूटेंट के क्रमिक स्वीप के माध्यम से की जाती है। यदि प्रत्येक उत्परिवर्तन स्वतंत्र रूप से लाभकारी है, और उन मामलों में नहीं जहां उत्परिवर्तन व्यक्तिगत रूप से तटस्थ हैं, लेकिन एक साथ लाभप्रद हैं, तो केवल कई म्यूटेंट उत्पन्न होने की उम्मीद कर सकते हैं। केमोस्टैट में विकास के लिए लगातार अधिग्रहण ही एकमात्र विश्वसनीय तरीका है।
• प्रतीत होता है चरम परिदृश्य जहां हमें कम से कम एक बार केमोस्टेट में सह-अस्तित्व के लिए हर संभव एकल एसएनपी की आवश्यकता होती है, वास्तव में काफी संभावना है। इस स्थिति में एक बड़े केमोस्टेट के पहुंचने की बहुत संभावना है।
• एक बड़े केमोस्टैट के लिए अपेक्षित समय जब तक कि केमोस्टैट टर्नओवर समय के क्रम में एक लाभप्रद उत्परिवर्तन नहीं होता है। ध्यान दें, यह आम तौर पर केमोस्टैट आबादी को लेने के लिए एक लाभप्रद तनाव के लिए समय से काफी कम है। यह जरूरी नहीं कि एक छोटे से केमोस्टेट में ऐसा हो।
• उपरोक्त बिंदुओं के विभिन्न अलैंगिक प्रजनन प्रजातियों (ई. कोलाई, एस. सेरेविसिया, आदि) में समान होने की उम्मीद है।
• इसके अलावा, उत्परिवर्तन उपस्थिति तक का समय जीनोम के आकार से स्वतंत्र है, लेकिन प्रति-बीपी उत्परिवर्तन दर पर निर्भर है।
• विशेष रूप से बड़े केमोस्टैट्स के लिए, एक हाइपर-म्यूटेटिंग स्ट्रेन वारंट उपयोग के लिए पर्याप्त लाभ नहीं देता है। इसके अलावा, यह हमेशा यादृच्छिक उत्परिवर्तन के माध्यम से प्रकट होने और केमोस्टैट पर कब्जा करने की अपेक्षा की जाने वाली चयनात्मक लाभ के लिए पर्याप्त नहीं है।

एकल अधिग्रहण

* प्रासंगिक तनाव मापदंडों को देखते हुए अधिग्रहण का समय अनुमानित है।

• अलग-अलग कमजोर पड़ने की दर चुनिंदा रूप से अलग-अलग उत्परिवर्ती उपभेदों को केमोस्टैट आबादी पर ले जाने के लिए पसंद करती है, अगर ऐसा तनाव मौजूद है। उदाहरण के लिए:
  • एक तेज कमजोर पड़ने की दर एक उत्परिवर्तित तनाव के लिए एक बढ़ी हुई अधिकतम विकास दर के साथ एक चयन दबाव बनाती है;
  • एक मध्य-श्रेणी कमजोर पड़ने की दर सीमित सब्सट्रेट के लिए एक उच्च आत्मीयता के साथ एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए एक चयन दबाव बनाता है;
  • एक धीमी कमजोर दर एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए एक चयन दबाव बनाता है जो मीडिया में बिना किसी सीमित सब्सट्रेट के बढ़ सकता है (संभवतः मीडिया में मौजूद एक अलग सब्सट्रेट का उपभोग करके);
• संचालन मापदंडों की एक श्रृंखला में एक बेहतर म्यूटेंट के अधिग्रहण का समय काफी स्थिर होगा। विशेषता संचालन मूल्यों के लिए समय का समय दिनों से लेकर हफ्तों तक होता है।

लगातार अधिग्रहण

* जब स्थितियाँ सही होती हैं (एक बड़ी पर्याप्त आबादी, और सरल लाभप्रद उत्परिवर्तन के लिए जीनोम में कई लक्ष्य) तो कई उपभेदों से जनसंख्या को क्रमिक रूप से संभालने की उम्मीद की जाती है, और ऐसा अपेक्षाकृत समयबद्ध और गति से किया जाता है। समय उत्परिवर्तन के प्रकार पर निर्भर करता है।

• एक अधिग्रहण उत्तराधिकार में, भले ही प्रत्येक नस्ल का चयनात्मक सुधार स्थिर रहता है (उदाहरण के लिए प्रत्येक नया तनाव निरंतर कारक द्वारा पिछले तनाव से बेहतर होता है) - अधिग्रहण की दर स्थिर नहीं रहती है, बल्कि तनाव से तनाव में कमी आती है .
• ऐसे मामले हैं जहां लगातार अधिग्रहण इतनी तेजी से होते हैं कि एलील आवृत्ति की जांच करते समय भी उपभेदों के बीच अंतर करना बहुत मुश्किल होता है। इस प्रकार, लगातार उपभेदों के कई अधिग्रहणों का एक वंश उत्परिवर्तन के एक समूह के साथ एक एकल तनाव के अधिग्रहण के रूप में प्रकट हो सकता है।

विविधताएं

केमोस्टैट्स से निकटता से संबंधित किण्वन सेटअप टर्बिडोस्टेट, auxostat और retentostat हैं। रेटेंस्टोस्टैट्स में, कल्चर लिक्विड को बायोरिएक्टर से भी हटा दिया जाता है, लेकिन एक फिल्टर बायोमास को बरकरार रखता है। इस मामले में, बायोमास की सघनता तब तक बढ़ जाती है जब तक कि बायोमास रखरखाव के लिए पोषक तत्वों की आवश्यकता उपभोग किए जा सकने वाले सीमित पोषक तत्वों की मात्रा के बराबर न हो जाए।

यह भी देखें

• जीवाणु वृद्धि
• बायोकेमिकल इंजीनियरिंग
• निरंतर उभारा-टैंक रिएक्टर मॉडल|सतत स्टिरर्ड-टैंक रिएक्टर (CSTR)
• इ। कोलाई दीर्घकालिक विकास प्रयोग
• फेड बैच

बाहरी संबंध

1. http://www.pererikstrandberg.se/examensarbete/chemostat.pdf
2. https://web.archive.org/web/20060504172359/http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Contin/chemosta.htm
3. A final thesis including mathematical models of the chemostat and other bioreactors
4. A page about one laboratory chemostat design
5. Comprehensive chemostat manual (Dunham lab). Procedures and principles are general.