Проблема коагуляции биологических клеток – одна из фундаментальных в биологии, биофизике и биохимии. Она также крайне важна для решения прикладных задач при разработке новейших или совершенствовании применяющихся технологий производства группы определённых пищевых продуктов.
Одним из важнейших процессов, определяющих рост частиц, является коагуляция, то есть процесс слипания частиц при их столкновении или касании и тесном движении. Среди наиболее часто встречающихся механизмов, обуславливающих процесс коагуляции, следует выделить: броуновскую коагуляцию, гравитационную коагуляцию, электростатическую коагуляцию, турбулентную и градиентную коагуляцию. В реальных условиях может происходить смена механизмов или их совокупность.
В зависимости от свойств данных биологических клеток и субстрата, зная основные кинетические закономерности процесса коагуляции, возможно прогнозировать обстановку и разрабатывать оптимальные технологии и способы производства, рассчитывать наиболее рациональные режимы ведения технологического процесса.
В ряде случаев возникает необходимость регулирования интенсивности процессов конгломерации или распада объектов коагуляции в дисперсных системах путём изменения концентраций, скоростей, направлений движения, интенсивности и характера перемешивания и др. Часто необходима предварительная расчетная оценка влияния процессов коагуляции при вынужденном изменении каких-либо параметров технологического процесса.
Адгезия биологических клеток к различного рода поверхностям также играет важную роль в распределении клеток в системе. Взаимодействие биологических клеток между собой, другими биообъектами и элементами специальных устройств аппаратов определяется действием как обычных поверхностных сил [1], так и специфических биохимических сил [2,3]. Процесс коагуляции и агрегирования, как указывалось выше, включает в себя столкновения или тесное движение биологических клеток относительно друг друга.
Детальный анализ такого рода движения требует рассмотрения динамики формы клеток и макро-поверхностей вблизи места контакта. Очевидно, что значительные гидродинамические силы, действующие между почти касающимися друг друга поверхностями, должны вызывать деформацию нежестких биологических клеток. Однако мелкие клетки с хорошо оформленной поверхностью, как, например, дрожжевые клетки, удовлетворительно аппроксимируются моделью упругого твердого тела, так как в активном состоянии они имеют форму, близкую к сферической или эллиптической, и обладают достаточно развитой цитоскелетной структурой. Следовательно, для математического описания коагуляции и агломерации подобных биологических клеток может быть использована классическая теория коагуляции в дисперсных системах.
В настоящее время проблему, связанную с коагуляционными процессами, принято разделять на микроскопическую и кинетическую теории [3]. Микроскопическая теория изучает движение биологических клеток до их столкновения, а также процессы столкновения и слипания столкнувшихся клеток с целью определения вероятности элементарных актов коагуляции за единицу времени в заданном объеме. Исследование и разработка методов решения кинетических уравнений, описывающих эволюцию функции распределения агломератов по массам, при заданной вероятности их столкновения и слипания входят в круг задач кинетической теории коагуляции биологических клеток. В данной работе рассматриваются вопросы в части кинетической теории коагуляции.
Для математического описания процесса коагуляции биологических клеток, включая вариант распада агломератов, можно воспользоваться кинетической теорией Смолуховского-Мезлака [3].
Дискретный спектр. В этом представлении система кинетических уравнений имеет вид:
275
276
277
если требуется учесть внутренний источник биологических клеток, например, за счет их размножения, то к правым частям уравнений (1) и (4) нужно добавить член вида J(x0, t), к уравнению (12) – xJ(x0, t), где J(x0, t) – число клеток, зарождающихся в единицу времени в единице объема аппарата.
На основании полученных результатов возможны разработка и реализация практических мер по регулированию интенсивности агломерирования биологических клеток в процессе производства пищевых продуктов.
Литература
- Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2004. – 396 с.
- Потанин А.А., Верхуша В.В., Вржещ П.В., Муллер В.М. Теория адгезионного взаимодействия биологических клеток в потоке жидкости.
- Недеформированные клетки//Коллоид. журн. 1994. Т. 56. № 3. – С. 378380.
- Пеньков Н.В. Коагуляционные процессы в дисперсных системах. Екатеринбург: Издательство «Сократ», 2006. – 5-6 с.