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 (केमिकल वातावरण स्थिर है) एक बायोरिएक्टर है, जिसमें नया मीडियम निरंतर जोड़ा जाता है, जबकि संसाधनों से शेष रहित पोषक तत्व, अवयविक अंत प्रोडक्ट्स और माइक्रोआर्गनिज्म निरंतर समान दर से निकाले जाते हैं ताकि संसाधन के नया मिश्रण जोड़ने से साथ ही कल्चर वॉल्यूम को स्थिर रखा जा सके। बायोरिएक्टर में मीडियम जोड़ने की दर बदलकर, माइक्रोआर्गनिज्म की विशेष वृद्धि दर आसानी से सीमित मायने में नियंत्रित की जा सकती है।

ऑपरेशन

स्थिर अवस्था

केमोस्टैट्स की एक अहम विशेषता है कि उनमें माइक्रोआर्गनिज्म नियंत्रित वातावरणीय ढंग से एक प्रायोगिक स्थिर स्थिति में विकसित किए जा सकते हैं। इस स्थिर स्थिति में, वृद्धि एक स्थायी विशेष वृद्धि दर पर होती है और सभी कल्चर पैरामीटर स्थायी रहते हैं (कल्चर वॉल्यूम, विघटित ऑक्सीजन अवसरण, पोषक तत्व और उत्पाद अवसरण, पीएच, सेल घनत्व, आदि)। साथ ही, पर्यावरणीय ढंग विशेषज्ञ द्वारा नियंत्रित किए जा सकते हैं। केमोस्टैट्स में विकसित हो रहे माइक्रोआर्गनिज्म आमतौर पर एक स्थिर स्थिति तक पहुंचते हैं क्योंकि वृद्धि दर और पोषक तत्व के बीच नकारात्मक प्रतिप्रतिक्रिया होती है: यदि बायोरिएक्टर में कम संख्यक सेल्स होते हैं, तो उन सेल्स को कम पोषक तत्व के साथ कम खपत करते हुए वृद्धि दर के साथ विकसित किया जा सकता है क्योंकि वे कम पोषक तत्व के साथ खपत करते हैं, इससे वृद्धि पर पोषक तत्व के जोड़ने से वृद्धि को कम प्रतिबंधित रहता है। सीमित उत्पादक खाद्य पोषण के साथ उनमें वृद्धि होती है। सीमांकित खाद्य पोषण विकसित रूप में होता है जो विकास के लिए आवश्यक होता है, जो माध्यम में एक सीमित विकसित राशि में मौजूद होता है (अन्य सभी पोषक तत्वों को आम तौर पर अधिशेष रूप से प्रदान किया जाता है)। हालांकि, सेल्स की संख्या बढ़ने से पोषक तत्व की मात्रा घट जाती है। इससे सेल्स की विशेष वृद्धि दर को कम हो जाता है जो सेल्स की संख्या में गिरावट का कारण बनता है क्योंकि वे विकसित होते रहते हैं और उन्हें निकाला जाता है। इससे एक स्थिर स्थिति बनती है। यह आत्म-नियंत्रण के कारण, स्थिर स्थिति स्थायी होती है। इससे प्रायोगिक स्थिर स्थिति के द्वारा माइक्रोआर्गनिज्म की विशेष वृद्धि दर को बदलकर विशेषज्ञ द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, जबकि पंप की गति को संशोधित किया जा सकता है जो नया मिश्रण बायोरिएक्टर में डालती है।

अच्छी तरह मिश्रित

चेमोस्टैट और अन्य निरंतर संस्कृति प्रणालियों की एक और महत्वपूर्ण विशेषता है कि वे अच्छी तरह से मिश्रित होते हैं, जिससे पर्यावरणीय स्थितियां समान और समान रहती हैं और माइक्रोऑर्गनिज्म यादृच्छिक रूप से विस्तृत होते हैं और एक दूसरे से यादृच्छिक रूप से संघटित होते हैं। इसलिए, चेमोस्टैट में प्रतियोगिता और अन्य परस्परागमन संगठन वैश्विक होते हैं, जिससे बायोफिल्म के समान में नहीं होते हैं।

कमजोर पड़ने की दर

पोषक तत्वों के विनिमय की दर को 'डिल्यूशन दर' या 'D' के रूप में व्यक्त किया जाता है। स्थिर स्थिति में, माइक्रो-ऑर्गनिज्म की विशेष वृद्धि दर 'μ' डिल्यूशन दर 'D' के समान होती है। डिल्यूशन दर को बायोरिएक्टर में कल्चर के विषयक भाग में मीडियम की एकक के ऊपर फ्लो के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसे 'F' और बायोरिएक्टर में कल्चर के वॉल्यूम 'V' के ऊपर व्याप्त किया जाता है।

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

अधिकतम विकास दर और महत्वपूर्ण कमजोर पड़ने की दर

विशिष्ट वृद्धि दर μ बायोमास को दोगुना होने में लगने वाले समय से व्युत्क्रमानुपाती होती है, जिसे दोगुना होने का समय t_d कहा जाता है, इसके द्वारा:

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

इसलिए, दोगुना होने का समय t_d स्थिर अवस्था में तनुकरण दर D का एक फलन बन जाता है:

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

प्रत्येक विशिष्ट उपकरण पर विकसित हो रहे प्रत्येक माइक्रोआर्गनिज्म की अधिकतम विशेष वृद्धि दर 'μ_max' होती है (विकसिति दर जो बाह्य पोषक तत्वों के स्थानीय अवशेषों से अधिकतम विकसिति दर को ध्यान में रखती है)। यदि ऐसी डिल्यूशन दर चुनी जाती है जो μ_max से अधिक है, तो सेल्स उस दर से तेजी से विकसित नहीं हो सकती हैं जितनी तेजी से वे निकाली जा रही हैं, इससे कल्चर बायोरिएक्टर में खुद को बनाए रखने में असमर्थ होगा, और वह बाहर बह जाएगा।

लेकिन, चेमोस्टैट में सीमित पोषक तत्व की मात्रा खाद्य में उपस्थित मात्रा से अधिक नहीं हो सकती है, इसलिए चेमोस्टैट में सेल्स द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली विशेष वृद्धि दर आम तौर पर अधिकतम विशेष वृद्धि दर से थोड़ी कम होती है क्योंकि विशेष वृद्धि दर आम तौर पर पोषक तत्व की मात्रा के साथ बढ़ती है, जैसा कि मोनोड समीकरण की किनेटिक्स द्वारा वर्णित होता है। सेल्स द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली विशेष वृद्धि दर की सबसे अधिक मात्रा (μ_max) बायोरिएक्टर में संभव है, जो सामर्थ्यवान डिल्यूशन दर (D'c) के बराबर होती है।

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

जहां S, कीमोस्टेट में सब्सट्रेट या पोषक तत्व की सांद्रता है और KS अर्ध-संतृप्ति स्थिरांक है (यह समीकरण मोनोड कैनेटीक्स मानता है)।

अनुप्रयोग

अनुसंधान

शोध में केमोस्टैट का उपयोग कोशिका जीव विज्ञान में जांच के लिए बड़ी मात्रा में समान कोशिकाओं या प्रोटीन के स्रोत के रूप में किया जाता है। केमोस्टेट का उपयोग अक्सर किसी जीव के बारे में उसकी चयापचय प्रक्रियाओं से संबंधित गणितीय मॉडल तैयार करने के लिए स्थिर स्थिति डेटा इकट्ठा करने के लिए किया जाता है। रसायनशास्त्र का उपयोग पारिस्थितिकी और विकासवादी जीवविज्ञान में सूक्ष्म जगत के रूप में भी किया जाता है। एक मामले में, उत्परिवर्तन/चयन एक परेशानी है, दूसरे मामले में, यह अध्ययन के तहत वांछित प्रक्रिया है। केमोस्टैट्स का उपयोग संस्कृति में विशिष्ट प्रकार के जीवाणु उत्परिवर्ती जैसे कि ऑक्सोट्रॉफ़्स या जो एंटीबायोटिक दवाओं या बैक्टीरियोफेज के प्रतिरोधी हैं, को आगे के वैज्ञानिक अध्ययन के लिए समृद्ध करने के लिए भी किया जा सकता है। तनुकरण दर में भिन्नताएं विभिन्न विकास दर पर जीवों द्वारा अपनाई गई चयापचय रणनीतियों के अध्ययन की अनुमति देती हैं।

एकल और एकाधिक संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा, संसाधन अधिग्रहण और उपयोग मार्गों का विकास, क्रॉस-फीडिंग/सहजीवन, शिकारियों के बीच विरोध, शिकार और प्रतिस्पर्धा सभी का पारिस्थितिकी और विकासवादी जीव विज्ञान में केमोस्टैट्स का उपयोग करके अध्ययन किया गया है।

उद्योग

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

तकनीकी चिंताएं

• फोमिंग से तरल पदार्थ का ओवरफ्लो हो सकता है जिससे वॉल्यूम की निरंतरता सटीक रूप से नहीं बनी रहती।
• कुछ बहुत ही नाजुक सेल्स उत्प्रेरण और वायुमन्त्रण के दौरान फट सकती हैं।
• सेल्स वॉलों पर बढ़ सकती हैं या अन्य सतहों पर चिपक सकती हैं, जिसे सिलेन के साथ वेसल की ग्लास वॉलों का उपचार करके हाइड्रोफोबिक बनाया जा सकता है। हालांकि, सेल्स वॉलों से चिपकने के लिए चुन जाएंगी क्योंकि जो ऐसा करेंगी, वे प्रणाली से हटाई नहीं जाएंगी। वे बैक्टीरिया जो वॉलों से मजबूती से चिपकते हैं और बायोफिल्म बनाने में विशेषज्ञ होते हैं, उन्हें चेमोस्टैट की स्थितियों के तहत अध्ययन करना कठिन होता है।
• मिश्रण वास्तव में समान न हो सकती है, जिससे चेमोस्टैट की "स्थैतिक" गुणवत्ता को विचलित कर सकता है।
• मीडिया को कक्ष में टपकाने से वास्तव में पोषक तत्वों की छोटी-छोटी तरंगें उत्पन्न होती हैं और इस प्रकार सांद्रता में उतार-चढ़ाव होता है, जो फिर से केमोस्टेट की "स्थैतिक" संपत्ति को परेशान करता है।
• बैक्टीरिया आसानी से विपरीत दिशा में चल सकते हैं। वे स्वच्छ माध्यम के रिजर्वोयर तक जल्दी पहुंच जाएंगे जब तक तरल मार्ग को वायु द्वारा अवरोधित न किया जाए, जिसमें माध्यम वायु के माध्यम से बूँदों के रूप 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।
• उत्तेजना और वातन धीरे-धीरे किया जा सकता है।
• दीवार की वृद्धि को कम करने के लिए कई उपाय अपनाए गए हैं
• विभिन्न अनुप्रयोग मिश्रण के लिए पैडल, बुदबुदाहट या अन्य तंत्र का उपयोग करते हैं।
• छोटी बूंदों और बड़े बर्तन के आयतन के साथ टपकन को कम कठोर बनाया जा सकता है
• अनेक सुधार संदूषण के ख़तरे को लक्षित करते हैं

प्रायोगिक डिजाइन विचार

पैरामीटर पसंद और सेटअप

• केमोस्टेट में सीमित सब्सट्रेट की स्थिर अवस्था सांद्रता प्रवाह सांद्रता से स्वतंत्र होती है। प्रवाह सांद्रता कोशिका सांद्रता को प्रभावित करेगी और इस प्रकार स्थिर अवस्था OD को प्रभावित करेगी।
• यद्यपि चेमोस्टैट में सीमित पदार्थ की अधिकांश समय सीमित होती है और इसे अलग-अलग अधिक संकुचित प्रवाहित पल्स द्वारा बनाए रखा जाता है, लेकिन व्यवहार में चेमोस्टैट के भीतर पदार्थ की यादृच्छिक परिवर्तन बहुत कम होता है (कुछ प्रतिशत या उससे भी कम) और इसलिए इसे क्वासी-स्थिर स्थिति के रूप में देखा जा सकता है।
• कोशिका घनत्व (OD) को एक स्थिर-अवस्था मान (ओवरशूट/अंडरशूट) में परिवर्तित होने में लगने वाला समय अक्सर लंबा होगा (एकाधिक केमोस्टेट 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 उत्परिवर्ती तनाव का अधिग्रहण लगातार हो सकता है, भले ही वे ओडी या उत्पाद सांद्रता जैसे मैक्रो स्केल मापदंडों की निगरानी द्वारा पता लगाने योग्य नहीं हैं।
• सीमित सब्सट्रेट आमतौर पर इतनी कम सांद्रता पर होता है कि इसका पता नहीं चल पाता है। परिणामस्वरूप, सीमित सब्सट्रेट की सांद्रता समय के साथ (प्रतिशत-वार) बहुत भिन्न हो सकती है क्योंकि विभिन्न उपभेद आबादी पर कब्जा कर लेते हैं, भले ही ओडी में परिणामी परिवर्तन पता लगाने के लिए बहुत छोटे हों।
• सीमित परिस्थितियों में बढ़ी हुई फिटनेस के साथ उत्परिवर्ती तनाव के लिए एक "स्पंदित" केमोस्टेट (बहुत बड़े प्रवाह वाले दालों के साथ) में एक मानक अर्ध-निरंतर केमोस्टेट की तुलना में काफी कम चयनात्मक क्षमता होती है।
• सब्सट्रेट सांद्रता को सीमित करने वाले प्रवाह को अचानक कम करने से कोशिकाओं को अस्थायी रूप से अपेक्षाकृत कठोर परिस्थितियों में 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 एसएनपी है जो फिटनेस बढ़ा सकता है, तो इसे केवल कुछ केमोस्टैट दोहरीकरण के बाद आबादी में दिखाई देना चाहिए, विशेष रूप से बड़े केमोस्टैट्स (उदाहरण के लिए 10^11 ई. कोलाई कोशिकाओं) के लिए।
  • एक स्ट्रेन जिसके लिए दो विशिष्ट एसएनपी की आवश्यकता होती है, जहां केवल उनका संयोजन एक फिटनेस लाभ देता है (जबकि प्रत्येक अलग से तटस्थ होता है), केवल तभी प्रकट होने की संभावना होती है जब प्रत्येक एसएनपी के लिए लक्ष्य आकार (विभिन्न एसएनपी स्थानों की संख्या जो एक लाभप्रद उत्परिवर्तन को जन्म देती है) बहुत बड़ी है।
• अन्य प्रकार के उत्परिवर्ती उपभेदों (जैसे छोटे लक्ष्य आकार वाले दो एसएनपी, अधिक एसएनपी या छोटे केमोस्टैट्स) के प्रकट होने की अत्यधिक संभावना नहीं है।
  • इन अन्य उत्परिवर्तनों की अपेक्षा केवल फिटनेस लाभ के साथ उत्परिवर्ती के क्रमिक स्वीप के माध्यम से की जाती है। कोई केवल तभी एकाधिक उत्परिवर्ती उत्पन्न होने की उम्मीद कर सकता है यदि प्रत्येक उत्परिवर्तन स्वतंत्र रूप से फायदेमंद हो, और ऐसे मामलों में नहीं जहां उत्परिवर्तन व्यक्तिगत रूप से तटस्थ हों लेकिन एक साथ फायदेमंद हों। केमोस्टेट में विकास को आगे बढ़ाने के लिए क्रमिक अधिग्रहण ही एकमात्र विश्वसनीय तरीका है।
• प्रतीत होने वाला चरम परिदृश्य जहां हमें केमोस्टेट में कम से कम एक बार सह-अस्तित्व के लिए हर संभव एकल एसएनपी की आवश्यकता होती है, वास्तव में काफी संभावना है। एक बड़े केमोस्टेट के इस अवस्था तक पहुंचने की बहुत संभावना है।
• एक बड़े केमोस्टेट के लिए एक लाभप्रद उत्परिवर्तन होने तक अपेक्षित समय केमोस्टेट टर्नओवर समय के क्रम पर होता है। ध्यान दें, यह आमतौर पर केमोस्टेट आबादी पर लाभकारी तनाव के कब्ज़ा करने के समय की तुलना में काफी कम है। एक छोटे केमोस्टेट में ऐसा जरूरी नहीं है।
• उपरोक्त बिंदु अलग-अलग अलैंगिक प्रजनन प्रजातियों (ई. कोली, एस. सेरेविसिया, आदि) में समान होने की उम्मीद है।
• इसके अलावा, उत्परिवर्तन प्रकट होने तक का समय जीनोम 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, इसमें इतना चयनात्मक लाभ नहीं है कि हमेशा यादृच्छिक उत्परिवर्तन के माध्यम से प्रकट होने और कीमोस्टेट पर कब्जा करने की उम्मीद की जा सके।

एकल अधिग्रहण

• प्रासंगिक तनाव मापदंडों को देखते हुए अधिग्रहण समय का अनुमान लगाया जा सकता है।
• यदि ऐसा कोई तनाव मौजूद है, तो अलग-अलग कमजोर पड़ने की दरें केमोस्टेट आबादी पर कब्जा करने के लिए अलग-अलग उत्परिवर्ती उपभेदों का चयनात्मक रूप से पक्ष लेती हैं। उदाहरण के लिए:
  • तेजी से कमजोर पड़ने की दर अधिकतम वृद्धि दर के साथ उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है;
  • एक मध्य-श्रेणी कमजोर पड़ने की दर सीमित सब्सट्रेट के साथ उच्च संबंध के साथ एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है;
  • धीमी गति से कमजोर पड़ने की दर एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है जो मीडिया में बिना किसी सीमित सब्सट्रेट के बढ़ सकती है (संभवतः मीडिया में मौजूद एक अलग सब्सट्रेट का उपभोग करके);
• एक बेहतर उत्परिवर्ती के अधिग्रहण का समय विभिन्न ऑपरेशन मापदंडों में काफी स्थिर होगा। विशिष्ट ऑपरेशन मानों के लिए समय लेने का समय दिनों से लेकर सप्ताहों के क्रम पर होता है।

लगातार अधिग्रहण

• जब सही परिस्थितियां होती हैं (काफी बड़ी जनसंख्या और सरल लाभकारी म्यूटेशनों के लिए जीनोम में कई लक्ष्य हों), तो अपेक्षित है कि विभिन्न स्ट्रेन्स संभवतः क्रमिक रूप से पॉपुलेशन को कब्जे में लेंगे, और यह अपेक्षित है कि इसे एक निर्धारित समय और रैसिंग ढंग से करेंगे। इसका समय म्यूटेशन के प्रकार पर निर्भर करता है।
• एक टेकओवर सफलता क्रम में, यदि प्रत्येक स्ट्रेन का चयनात्मक सुधार स्थायी रहता है (उदाहरण के लिए, प्रत्येक नया स्ट्रेन पिछले स्ट्रेन से एक स्थायी गुणक के द्वारा बेहतर है) - टेकओवर दर स्थायी रूप से नहीं रहती है, बल्कि स्ट्रेन से स्ट्रेन धीरे-धीरे कम होती है।
• हालांकि, कुछ ऐसे मामले होते हैं जहां लगातार टेकओवर इतनी तेजी से होते हैं कि विभिन्न स्ट्रेन्स को अलील फ्रिक्वेंसी की जांच करते समय भी अभेद्य बना देना बहुत मुश्किल होता है। इसलिए, कुछ स्थितियों में, एक लाइनेज़ के कई टेकओवर्स को लगातार संयुक्त स्ट्रेन्स के टेकओवर के रूप में देखा जा सकता है, जिसमें कई म्यूटेशनों की एक समूह के साथ एकल स्ट्रेन का टेकओवर प्रतीत होता है।

विविधताएं

चेमोस्टैट से टर्बिडोस्टेट, ऑक्सोस्टैट और रिटेंटोस्टैट संबंधित रहते हैं। रिटेंटोस्टैट में भी, कल्चर लिक्विड बायोरिएक्टर से निकाला जाता है, लेकिन एक फिल्टर जीवनसमर्थन के लिए जीव-शारीरिक सामग्री को रोकता है। इस मामले में, जीव-शारीरिक सामग्री की दर बढ़ती है जब तक जीवनसमर्थन के लिए पोषक तत्व की आवश्यकता प्रतिबंधित पोषक तत्व की मात्रा से बराबर हो जाती है।

यह भी देखें

• जीवाणु वृद्धि
• जैव रासायनिक इंजीनियरिंग
• सतत् हलचल-टैंक रिएक्टर (CSTR)
• ई.कोली 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.