केमोस्टेट

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

माध्यम के निरंतर और समायोज्य प्रवाह और प्रवाह के बहिर्वाह के साथ संलग्न कीमोस्टेट पोत, सूक्ष्मजीवों के नियंत्रित विकास के लिए उपयोग किया जाता है। यह प्रणाली वातन की मात्रा और स्तर को स्थिर बनाए रखती है। सूक्ष्मजीवों की वृद्धि दर को ताजा माध्यम के प्रवाह में हेरफेर करके नियंत्रित किया जाता है, जबकि जनसंख्या घनत्व को सीमित पोषक तत्व की एकाग्रता को बदलकर 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।

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

कार्य विधि

स्थायी अवस्था

केमोस्टैट्स की एक महत्वपूर्ण विशेषता है कि उनमें सूक्ष्मजीव नियंत्रित वातावरणीय अवस्था से एक प्रायोगिक स्थायी अवस्था में विकसित किए जा सकते हैं। इस स्थिर स्थिति में, वृद्धि स्थायी विशेष वृद्धि दर पर होती है और सभी कल्चर पैरामीटर स्थायी रहते हैं (कल्चर आयतन, घुलित ऑक्सीजन सांद्रता, पोषक तत्व और उत्पाद सांद्रता, pH, कोशिका घनत्व, आदि)। इसके अतिरिक्त, वातावरणीय अवस्थाएँ विशेषज्ञ द्वारा नियंत्रित किए जा सकते हैं। केमोस्टैट्स में विकसित हो रहे सूक्ष्मजीव सामान्यतः एक स्थिर स्थिति तक पहुंचते हैं क्योंकि वृद्धि दर और पोषक तत्व के बीच ऋणात्मक प्रतिप्रतिक्रिया होती है: यदि बायोरिएक्टर में कम संख्यक कोशिकाएँ होती हैं, तो उन कोशिकाओं को कम पोषक तत्व के साथ कम उपभोग करते हुए वृद्धि दर के साथ विकसित किया जा सकता है क्योंकि वे कम पोषक तत्व के साथ उपभोग 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 विद्यमान होता है (अन्य सभी पोषक तत्वों को सामान्यतः अधिशेष रूप से प्रदान किया जाता है)। हालांकि, कोशिकाओं की संख्या बढ़ने से पोषक तत्व की मात्रा घट जाती है। इससे कोशिकाओं की विशेष वृद्धि दर को कम हो जाता है जो कोशिकाओं 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 सूक्ष्मजीव 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।

पूर्णतः मिश्रित

केमोस्टैट 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 सूक्ष्मजीव यादृच्छिक रूप से विस्तृत होते हैं और एक दूसरे से यादृच्छिक रूप से संघटित होते हैं। इसलिए, केमोस्टैट में प्रतियोगिता और अन्य परस्परागमन संगठन वैश्विक होते हैं, जिससे बायोफिल्म के समान में नहीं होते हैं।

तनुता दर

पोषक तत्वों के विनिमय की दर को 'तनुता दर' या 'D' के रूप में व्यक्त किया जाता है। स्थिर स्थिति में, माइक्रो-ऑर्गनिज्म की विशेष वृद्धि दर 'μ' तनुता दर 'D' के समान होती है। तनुता 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 आयतन 'V' के ऊपर व्याप्त किया जाता है।

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

अधिकतम विकास दर और क्रांतिक तनुता 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 तनुता दर D का एक फलन बन जाता है:

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

प्रत्येक विशिष्ट उपकरण पर विकसित हो रहे प्रत्येक सूक्ष्मजीव 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 तनुता दर चुनी जाती है जो μ_max से अधिक है, तो कोशिकाएं उस दर से उतनी तीव्रता से नहीं बढ़ सकती हैं जिस दर से उन्हें हटाया जा रहा है, इसलिए संस्कृति बायोरिएक्टर में स्वयं को बनाए रखने में सक्षम नहीं होगी, और वह बाहर बह जाएगा।

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

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

जहां S, केमोस्टैट में सब्सट्रेट या पोषक तत्व की सांद्रता है और K_S 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 प्रायः 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, दूसरी मामले में, यह अध्ययन के तहत वांछित प्रक्रिया है। केमोस्टैट्स का उपयोग संस्कृति में विशिष्ट प्रकार के जीवाणु उत्परिवर्ती जैसे कि ऑक्सोट्रॉफ़्स या जो प्रतिजैविक दवाओं या बैक्टीरियोफेज के प्रतिरोधी हैं, को आगे के वैज्ञानिक अध्ययन के लिए समृद्ध करने के लिए भी किया जा सकता है। तनुता 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 टेकओवर 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 प्रायः उपयोग किया जाता है। इस मामले में, श्रृंखला में कई केमोस्टैट का उपयोग किया जाता है, प्रत्येक को शर्करा की घटती सांद्रता पर बनाए रखा जाता है। केमोस्टेट जैव प्रौद्योगिकी उद्योग में निरंतर कोशिका संस्कृतियों के एक प्रयोगात्मक मॉडल के रूप में भी कार्य करता है।

तकनीकी चिंताएं

• फोमिंग से तरल पदार्थ का ओवरफ्लो हो सकता है जिससे आयतन की निरंतरता यथार्थ रूप से नहीं बनी रहती।
• कुछ बहुत ही कोमल कोशिकाओं उत्प्रेरण और वायुमन्त्रण के दौरान फट सकती हैं।
• कोशिकाओं 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। हालाँकि, वॉल से जुड़ने के लिए कोशिकाओं का चयन किया जाएगा क्योंकि जो वॉल जुड़ी होंगी उन्हें निकाय से नहीं हटाया जाएगा। वे बैक्टीरिया जो वॉलों से मजबूती से चिपकते हैं और बायोफिल्म बनाने में विशेषज्ञ होते हैं, उन्हें केमोस्टैट की स्थितियों के तहत अध्ययन करना कठिन होता है।
• मिश्रण वास्तव में समान न हो सकती है, जिससे केमोस्टैट 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 चयन 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 ओडी को प्रभावित करेगी।
• यद्यपि केमोस्टैट में सीमित पदार्थ की अधिकांश समय सीमित होती है और इसे भिन्न-भिन्न अधिक संकुचित प्रवाहित पल्स द्वारा बनाए रखा जाता है, लेकिन व्यवहार में केमोस्टैट 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 (ओडी) को एक स्थिर-अवस्था मान (ओवरशूट/अंडरशूट) में परिवर्तित होने में लगने वाला समय प्रायः 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।

स्थायी अवस्था वृद्धि

• केमोस्टेट स्थिर अवस्था में प्रतीत हो सकता है, लेकिन उत्परिवर्ती तनाव का टेकओवर लगातार हो सकता है, हालांकि उन्हें ओडी या उत्पादन धाराएँ जैसे मैक्रो स्केल पैरामीटर्स के माध्यम से पहचाना नहीं जा सकता।
• सीमित सब्सट्रेट सामान्यतः 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 (तनुता दर डी के समय क्रम पर)।

उत्परिवर्तन

• कुछ प्रकार के उत्परिवर्ती उपभेद तीव्रता 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।
  • स्ट्रेन जिसके लिए दो विशिष्ट एसएनपी की आवश्यकता होती है, जहां केवल उनका संयोजन एक फिटनेस लाभ देता है (जबकि प्रत्येक भिन्न 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 टेकओवर 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 सामान्यतः 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 भिन्न-भिन्न 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 केमोस्टैट पर कब्जा करने की उम्मीद की जा सके।

एकल टेकओवर

• प्रासंगिक तनाव मापदंडों को देखते हुए टेकओवर समय का अनुमान लगाया जा सकता है।
• यदि ऐसा कोई तनाव विद्यमान है, तो भिन्न-भिन्न तनुता दरें केमोस्टेट आबादी पर कब्जा करने के लिए भिन्न-भिन्न उत्परिवर्ती उपभेदों का चयनात्मक रूप से पक्ष लेती हैं। उदाहरण के लिए:
  • तीव्रता से तनुता दर अधिकतम वृद्धि दर के साथ उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है;
  • एक मध्य-श्रेणी तनुता दर सीमित सब्सट्रेट के साथ उच्च संबंध के साथ एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है;
  • धीमी गति से तनुता दर एक उत्परिवर्ती तनाव के लिए चयन दबाव बनाती है जो मीडिया में बिना किसी सीमित सब्सट्रेट के बढ़ सकती है (संभवतः मीडिया में विद्यमान एक भिन्न सब्सट्रेट का उपभोग करके);
• एक बेहतर उत्परिवर्ती के टेकओवर 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।

क्रमिक टेकओवर

• 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 रूप 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 ऐसी स्थितियाँ होती हैं जहां क्रमिक टेकओवर इतनी तीव्रता से होते हैं कि विभिन्न स्ट्रेन्स को अलील फ्रिक्वेंसी की जांच करते समय भी, उपभेदों के बीच अंतर करना बहुत कठिन 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

केमोस्टैट 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 (सीएसटीआर)
• 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 mओडीels 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.