المفاعلات الحيوية الدفعية والمستمرة
تستخدم المفاعلات الحيوية لزراعة الكائنات الحية بكميات كبيرة ، مما يتيح إنتاج كميات كبيرة من المنتج المستهدف. يمكن أن تكون هذه المفاعلات عبارة عن مفاعل…
المفاعلات الحيوية ، والمعروفة أيضا باسم المخمرات ، هي أنظمة زراعة الخلايا التي توفر بيئات نمو مناسبة. يشيع استخدام نوعين من المفاعلات الحيوية في زراعة الخلايا ، والمفاعلات الحيوية للخزانات المجمعة والمستمرة. مفاعل الدفعات هو نظام وعاء مغلق يحتوي على جميع المكونات اللازمة لزراعة الخلايا ، في حين أن مفاعل الخزان المتحرك المستمر هو نظام مفتوح حيث تتدفق المكونات بنشاط داخل وخارج ، مما يتيح إزالة النفايات وتجديد العناصر الغذائية. لزيادة نمو الخلايا وكثافة الخلايا إلى أقصى حد ، يمكن التحكم في معلمات المفاعل المتعددة لكلا النظامين ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة. سيقدم هذا الفيديو المبادئ الأساسية وراء المفاعلات المجمعة والمستمرة ويوضح إجراء يوضح بالتفصيل استخدامها في المختبر.
أبسط نوع من المفاعلات الحيوية هو مفاعل الدفعات ، وهو نظام مغلق يحتوي على وسائط زراعة الخلايا ومجموعة من الخلايا. مع نمو الخلايا ، فإنها تستهلك العناصر الغذائية وتفرز النفايات التي تتراكم في الوعاء. كما يتم استخدام مفاعلات الخزان المقليبة المستمرة ، وهي أنظمة مفتوحة تتدفق فيها العناصر الغذائية باستمرار ، وتتدفق الخلايا ونفايات الخلايا. يتيح ذلك التحكم في كثافة الخلايا عن طريق إزالة النفايات وتجديد العناصر الغذائية. قبل استخدام أي من النظامين ، يتم تعقيم المكونات ، وعادة ما تستخدم البخار للتخفيف من التلوث. عندما يتم تجميع المفاعل بالكامل ، تتم إضافة وسائط استزراع معقمة إلى الوعاء الرئيسي ثم يتم تلقيحها بثقافة بداية. أثناء الاستخدام ، يتم التحكم في الخلط والأكسجين باستخدام الدفاعات للحفاظ على محلول متجانس حيث يتم تزويد الخلايا بكميات كافية من العناصر الغذائية والأكسجين اللازم للنمو. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما تكون أنظمة خزانات التخمير مجهزة بمجسات لقياس ظروف مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة لضمان الظروف المثلى للنمو. أثناء نمو الدفعات ، تخضع مجموعة الخلايا لمراحل نمو كلاسيكية. أولا ، تدخل الخلايا في مرحلة التأخر ، حيث تنمو الخلايا ببطء أثناء تكيفها مع بيئتها. بعد ذلك ، تدخل الخلايا في مرحلة السجل وتنقسم بمعدل أسي حتى يتم استنفاد العناصر الغذائية أو تصل المنتجات الثانوية السامة إلى مستوى حرج. في النهاية ، يتباطأ النمو وتصل الخلايا إلى المرحلة الثابتة التي توفر فرصة لحصاد المنتج محل الاهتمام من الثقافة. يتم إفراز المنتج بواسطة الخلايا ويتم جمعه مباشرة من مرق المزرعة ، أو يبقى المنتج في الخلية ويجب إزالته عن طريق تحلل الخلايا. بعد الحصاد ، يتم تحضير المفاعل لدفعة جديدة لزراعة الخلايا عن طريق التنظيف والتعقيم.
تظهر مفاعلات الخزانات المتحركة المستمرة أنماط نمو متشابهة في البداية وتصل إلى كثافة خلية ثابتة في حالة التشغيل المستقرة. ومع ذلك ، فإن كثافة الخلية هذه تعتمد على معدل التخفيف ، وهو معدل التغذية والنفايات السائلة مقسوما على حجم المفاعل. وبالتالي ، مع اقتراب معدل التخفيف من واحد ، تقل كثافة الخلية. عند التفكير في تكوينات المفاعلات الحيوية ، من المفيد أن تضع في اعتبارك أن مفاعلات الدفعات غالبا ما تستخدم بسبب بساطتها وتكلفتها المنخفضة ، على الرغم من أن كثافة الخلايا محدودة. المفاعلات المستمرة قادرة على زيادة كثافة الخلايا. ومع ذلك ، عند كثافة الخلايا العالية ، يمكن أن يحدث التراكم ، مما يمنع النمو الأمثل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تزيد فترات التخمير الأطول من خطر تلوث الثقافة.
والآن بعد أن أدخلنا مفاعلات دفعية ومستمرة، دعونا نفحص إجراء لكليهما، بدءا من مفاعل الدفعات. قبل استخدام مفاعل الدفعات ، تتم إضافة وسائط الخلية إلى وعاء تفاعل نظيف. بمجرد ملئها ، يتم شطف مكونات الوعاء بالماء منزوع الأيونات وتجميعها. تشتمل المكونات على لوحة الرأس ، وأنبوب الحصاد لأخذ عينات الثقافة ، والمكره للحفاظ على توحيد الثقافة وأكسجين الوسائط ، وغاز الغبار لتوفير ضخ الغاز للثقافة. يستمر التجميع بتركيب مسبار أكسجة لقياس محتوى الأكسجين المذاب في الوعاء ، وخطوط التغذية لإضافة حمض أو قاعدة للتحكم في الأس الهيدروجيني ، ومسبار الأس الهيدروجيني المعاير. عند تثبيت جميع المكونات ، يتم تعقيم المفاعل المجمع باستخدام الأوتوكلاف. ثم يتم تثبيت الوعاء في قاعدة التخمير ، حيث يتم توصيل كل من مسبار الأس الهيدروجيني ومسبار الأكسجين بالكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توصيل ربار الغاز بمقياس دوران الغاز ، والذي يقيس معدل تدفق الغاز. في هذا الوقت ، يتم تشغيل المكره ويتم ضبط تدفق الغاز ودرجة الحرارة وتحريك الوعاء حتى يتم تحقيق المعلمات المطلوبة. ثم يتم تعقيم منفذ التلقيح بالكحول وتوزيع ثقافة البادئ في وعاء المفاعل. أثناء التشغيل ، يتم سحب عينات زراعة الخلايا في نقاط زمنية محددة لإنشاء منحنى نمو بناء على قياسات كثافة الخلايا. عندما تصل كثافة الخلية إلى المستوى المطلوب ، يتم إيقاف الثقافة ويتم حصاد الخلايا من الوعاء من خلال سلسلة من خطوات الترشيح. يتم التخلص من محتويات الأوعية المتبقية باستخدام مواد التبييض أو غيرها من المحتويات المضادة للميكروبات.
على غرار مفاعلات الدفعات ، تتطلب مفاعلات الخزان المتحرك المستمر ، والتي تسمى أحيانا المواد الكيميائية ، شطف مكوناتها الفردية جيدا بالماء منزوع الأيونات قبل التجميع. بمجرد التنظيف ، يتم تركيب مجموعة النمام ومكونات عمود القيادة معا ، ويتم ملء وعاء المفاعل بالماء منزوع الأيونات لتحسين التعقيم أثناء التعقيم. تتم معايرة مجسات الأكسجين المذاب ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة ، ثم يتم تثبيتها لاحقا. مع تجميع الوعاء بالكامل ، يتم تعقيم المفاعل باستخدام الأوتوكلاف. بعد التعقيم ، يتم وضع الوعاء في سترة حرارية للتحكم في درجة حرارته ، ويتم توصيل المجسات المعايرة. بعد ذلك ، يتم توصيل عربة الوسائط وإمداد الهواء بفلتر معقم قبل تشغيل تدفق الهواء. يتم تجهيز الوعاء بوسائط معقمة عن طريق فك تثبيت أنبوب الكربوي ، ثم تشغيل برنامج التخمير الأساسي. عندما تتدفق الوسائط إلى المفاعل النشط ، يتم تعقيم منفذ التلقيح بالكحول قبل إضافة مليلتر واحد من ثقافة بادئ إلى الوعاء. أثناء التشغيل ، يتم أخذ عينات المزرعة في نقاط زمنية محددة لقياس كثافة الخلايا. ثم يتم استخدام هذه البيانات لبناء منحنى النمو. يتحقق النمو الأمثل عندما تصل الثقافة إلى حالة مستقرة ، مما يعني أن كثافة الخلية تظل ثابتة.
الآن بعد أن تعرفت على مفاعلات الخزانات المجمعة والمستمرة ، دعنا نلقي نظرة على بعض التطبيقات العملية لهذه التقنية. عادة ما يتم تخمير البيرة عن طريق زراعة الخميرة في نظام مفاعل دفعات. تضاف مجموعة من المكونات الأساسية التي تتكون من الماء النقي والشعير المملح والقفزات والخميرة إلى المفاعل. يحفز الشعير المملح عملية التخمير من خلال العمل كمصدر غذائي غني بالسكر للخميرة ، والذي ، عند استهلاكه ، ينتج عنه إنتاج الكحول كمنتج نفايات. بمجرد أن يصل الخليط إلى محتواه من الكحول المستهدف ، أو تخميره للفترة الزمنية المحددة ، يمكن ترشيحه وتعبئته وتركه للحث على الكربنة قبل توزيع المنتج النهائي. يمكن أيضا تخصيص المفاعلات القياسية لأغراض متخصصة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المفاعلات المتخصصة لزيادة صلاحية الخلايا لسقالات الأنسجة من خلال تحسين توزيع الخلايا والمغذيات عن طريق الخلط المستمر. في الوقت نفسه ، يمكن تطبيق التحفيز الميكانيكي على السقالة لتشجيع إنتاج المصفوفة خارج الخلية وتوجيه نمو الخلايا وتمايزها بنشاط. حسنت السقالات الناتجة الخصائص الفسيولوجية والميكانيكية ، مما يجعلها جذابة للزرع.
لقد شاهدت للتو فيديو Jove على مفاعلات دفعة ومستمرة. يجب أن تفهم الآن كيفية عمل المفاعلات الحيوية للخزانات المجمعة والمستمرة ، وكيف يمكن تطبيق هذه الأنظمة في مجال الهندسة الحيوية. شكرا للمشاهدة.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
المفاعلات الحيوية ، والمعروفة أيضا باسم المخمرات ، هي أنظمة زراعة الخلايا التي توفر بيئات نمو مناسبة. يشيع استخدام نوعين من المفاعلات الحيوية في زراعة الخلايا ، والمفاعلات الحيوية للخزانات المجمعة والمستمرة. مفاعل الدفعات هو نظام وعاء مغلق يحتوي على جميع المكونات اللازمة لزراعة الخلايا ، في حين أن مفاعل الخزان المتحرك المستمر هو نظام مفتوح حيث تتدفق المكونات بنشاط داخل وخارج ، مما يتيح إزالة النفايات وتجديد العناصر الغذائية. لزيادة نمو الخلايا وكثافة الخلايا إلى أقصى حد ، يمكن التحكم في معلمات المفاعل المتعددة لكلا النظامين ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة. سيقدم هذا الفيديو المبادئ الأساسية وراء المفاعلات المجمعة والمستمرة ويوضح إجراء يوضح بالتفصيل استخدامها في المختبر.
أبسط نوع من المفاعلات الحيوية هو مفاعل الدفعات ، وهو نظام مغلق يحتوي على وسائط زراعة الخلايا ومجموعة من الخلايا. مع نمو الخلايا ، فإنها تستهلك العناصر الغذائية وتفرز النفايات التي تتراكم في الوعاء. كما يتم استخدام مفاعلات الخزان المقليبة المستمرة ، وهي أنظمة مفتوحة تتدفق فيها العناصر الغذائية باستمرار ، وتتدفق الخلايا ونفايات الخلايا. يتيح ذلك التحكم في كثافة الخلايا عن طريق إزالة النفايات وتجديد العناصر الغذائية. قبل استخدام أي من النظامين ، يتم تعقيم المكونات ، وعادة ما تستخدم البخار - من أجل التخفيف من التلوث. عندما يتم تجميع المفاعل بالكامل ، تتم إضافة وسائط استزراع معقمة إلى الوعاء الرئيسي ثم يتم تلقيحها بثقافة بداية. أثناء الاستخدام ، يتم التحكم في الخلط والأكسجين باستخدام الدفاعات للحفاظ على محلول متجانس حيث يتم تزويد الخلايا بكميات كافية من العناصر الغذائية والأكسجين اللازم للنمو. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما تكون أنظمة خزانات التخمير مجهزة بمجسات لقياس ظروف مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة لضمان الظروف المثلى للنمو. أثناء نمو الدفعات ، تخضع مجموعة الخلايا لمراحل نمو كلاسيكية. أولا ، تدخل الخلايا في مرحلة التأخر ، حيث تنمو الخلايا ببطء أثناء تكيفها مع بيئتها. بعد ذلك ، تدخل الخلايا في مرحلة السجل وتنقسم بمعدل أسي حتى يتم استنفاد العناصر الغذائية أو تصل المنتجات الثانوية السامة إلى مستوى حرج. في النهاية ، يتباطأ النمو وتصل الخلايا إلى المرحلة الثابتة التي توفر فرصة لحصاد المنتج محل الاهتمام من الثقافة. يتم إفراز المنتج بواسطة الخلايا ويتم جمعه مباشرة من مرق المزرعة ، أو يبقى المنتج في الخلية ويجب إزالته عن طريق تحلل الخلايا. بعد الحصاد ، يتم تحضير المفاعل لدفعة جديدة لزراعة الخلايا عن طريق التنظيف والتعقيم.
تظهر مفاعلات الخزان المتحرك المستمر أنماط نمو مماثلة في البداية وتصل إلى كثافة خلية ثابتة في حالة التشغيل المستقرة. ومع ذلك ، فإن كثافة الخلية هذه تعتمد على معدل التخفيف ، وهو معدل التغذية والنفايات السائلة مقسوما على حجم المفاعل. وبالتالي ، مع اقتراب معدل التخفيف من واحد ، تقل كثافة الخلية. عند التفكير في تكوينات المفاعلات الحيوية ، من المفيد أن تضع في اعتبارك أن مفاعلات الدفعات غالبا ما تستخدم بسبب بساطتها وتكلفتها المنخفضة ، على الرغم من أن كثافة الخلايا محدودة. المفاعلات المستمرة قادرة على زيادة كثافة الخلايا. ومع ذلك ، عند كثافة الخلايا العالية ، يمكن أن يحدث التراكم ، مما يمنع النمو الأمثل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تزيد فترات التخمير الأطول من خطر تلوث الثقافة.
والآن بعد أن أدخلنا مفاعلات دفعية ومستمرة، دعونا نفحص إجراء لكليهما، بدءا من مفاعل الدفعات. قبل استخدام مفاعل الدفعات ، تتم إضافة وسائط الخلية إلى وعاء تفاعل نظيف. بمجرد ملئها ، يتم شطف مكونات الوعاء بالماء منزوع الأيونات وتجميعها. تشتمل المكونات على لوحة الرأس ، وأنبوب الحصاد لأخذ عينات الثقافة ، والمكره للحفاظ على توحيد الثقافة وأكسجين الوسائط ، وغاز الغبار لتوفير ضخ الغاز للثقافة. يستمر التجميع بتركيب مسبار أكسجة لقياس محتوى الأكسجين المذاب في الوعاء ، وخطوط التغذية لإضافة حمض أو قاعدة للتحكم في الأس الهيدروجيني ، ومسبار الأس الهيدروجيني المعاير. عند تثبيت جميع المكونات ، يتم تعقيم المفاعل المجمع باستخدام الأوتوكلاف. ثم يتم تثبيت الوعاء في قاعدة التخمير ، حيث يتم توصيل كل من مسبار الأس الهيدروجيني ومسبار الأكسجين بالكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توصيل ربار الغاز بمقياس دوران الغاز ، والذي يقيس معدل تدفق الغاز. في هذا الوقت ، يتم تشغيل المكره ويتم ضبط تدفق الغاز ودرجة الحرارة وتحريك الوعاء حتى يتم تحقيق المعلمات المطلوبة. ثم يتم تعقيم منفذ التلقيح بالكحول وتوزيع ثقافة البادئ في وعاء المفاعل. أثناء التشغيل ، يتم سحب عينات زراعة الخلايا في نقاط زمنية محددة لإنشاء منحنى نمو بناء على قياسات كثافة الخلايا. عندما تصل كثافة الخلية إلى المستوى المطلوب ، يتم إيقاف الثقافة ويتم حصاد الخلايا من الوعاء من خلال سلسلة من خطوات الترشيح. يتم التخلص من محتويات الأوعية المتبقية باستخدام مواد التبييض أو غيرها من المحتويات المضادة للميكروبات.
على غرار مفاعلات الدفعات ، تتطلب مفاعلات الخزان المتحرك المستمر ، والتي تسمى أحيانا المواد الكيميائية ، شطف مكوناتها الفردية جيدا بالماء منزوع الأيونات قبل التجميع. بمجرد التنظيف ، يتم تركيب مجموعة النمام ومكونات عمود القيادة معا ، ويتم ملء وعاء المفاعل بالماء منزوع الأيونات لتحسين التعقيم أثناء التعقيم. تتم معايرة مجسات الأكسجين المذاب ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة ، ثم يتم تثبيتها لاحقا. مع تجميع الوعاء بالكامل ، يتم تعقيم المفاعل باستخدام الأوتوكلاف. بعد التعقيم ، يتم وضع الوعاء في سترة حرارية للتحكم في درجة حرارته ، ويتم توصيل المجسات المعايرة. بعد ذلك ، يتم توصيل عربة الوسائط وإمداد الهواء بفلتر معقم قبل تشغيل تدفق الهواء. يتم تجهيز الوعاء بوسائط معقمة عن طريق فك تثبيت أنبوب الكربوي ، ثم تشغيل برنامج التخمير الأساسي. عندما تتدفق الوسائط إلى المفاعل النشط ، يتم تعقيم منفذ التلقيح بالكحول قبل إضافة مليلتر واحد من ثقافة بادئ إلى الوعاء. أثناء التشغيل ، يتم أخذ عينات المزرعة في نقاط زمنية محددة لقياس كثافة الخلايا. ثم يتم استخدام هذه البيانات لبناء منحنى النمو. يتحقق النمو الأمثل عندما تصل الثقافة إلى حالة مستقرة ، مما يعني أن كثافة الخلية تظل ثابتة.
الآن بعد أن تعرفت على مفاعلات الخزانات المجمعة والمستمرة ، دعنا نلقي نظرة على بعض التطبيقات العملية لهذه التقنية. عادة ما يتم تخمير البيرة عن طريق زراعة الخميرة في نظام مفاعل دفعات. تضاف مجموعة من المكونات الأساسية التي تتكون من الماء النقي والشعير المملح والقفزات والخميرة إلى المفاعل. يحفز الشعير المملح عملية التخمير من خلال العمل كمصدر غذائي غني بالسكر للخميرة ، والذي ، عند استهلاكه ، ينتج عنه إنتاج الكحول كمنتج نفايات. بمجرد أن يصل الخليط إلى محتواه من الكحول المستهدف ، أو تخميره للفترة الزمنية المحددة ، يمكن ترشيحه وتعبئته وتركه للحث على الكربنة قبل توزيع المنتج النهائي. يمكن أيضا تخصيص المفاعلات القياسية لأغراض متخصصة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المفاعلات المتخصصة لزيادة صلاحية الخلايا لسقالات الأنسجة من خلال تحسين توزيع الخلايا والمغذيات عن طريق الخلط المستمر. في الوقت نفسه ، يمكن تطبيق التحفيز الميكانيكي على السقالة لتشجيع إنتاج المصفوفة خارج الخلية وتوجيه نمو الخلايا وتمايزها بنشاط. حسنت السقالات الناتجة الخصائص الفسيولوجية والميكانيكية ، مما يجعلها جذابة للزرع.
لقد شاهدت للتو فيديو Jove على مفاعلات دفعة ومستمرة. يجب أن تفهم الآن كيفية عمل المفاعلات الحيوية للخزانات المجمعة والمستمرة ، وكيف يمكن تطبيق هذه الأنظمة في مجال الهندسة الحيوية. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main difference between batch and continuous bioreactors?
Batch reactors are closed systems containing all components needed for cell culture, where nutrients are consumed and waste accumulates. Continuous stirred tank reactors are open systems where fresh nutrients flow in continuously and cells with waste flow out, enabling control of cell density through waste removal and nutrient replenishment.
Q2: How do cells grow during batch reactor operation?
Batch cultures undergo four classic growth phases. Cells first enter lag phase, adapting slowly to their environment. They then enter log phase, dividing exponentially until nutrients deplete or toxic byproducts accumulate. Growth slows as cells reach stationary phase, providing an opportunity to harvest the product of interest from the culture.
Q3: What parameters are controlled in bioreactors to optimize cell growth?
Multiple reactor parameters are controlled to maximize cell growth and density, including temperature, pressure, dissolved oxygen, and pH. Impellers maintain homogenous solutions and supply cells with sufficient nutrients and oxygen. Fermenter systems are equipped with probes to measure these conditions continuously, ensuring optimal growth environments.
Q4: Why is sterilization important before using a bioreactor?
Sterilization, typically using steam in an autoclave, is essential to mitigate contamination before bioreactor use. All components are sterilized before assembly to eliminate microorganisms that could interfere with cell culture. This ensures a clean environment for reliable cell growth and product production.
Q5: How does dilution rate affect cell density in continuous reactors?
In continuous stirred tank reactors, cell density at steady state depends on the dilution rate, calculated as feed and effluent rate divided by reactor volume. As the dilution rate approaches one, cell density decreases. This relationship allows operators to control final cell density by adjusting flow rates.
Q6: What are practical applications of bioreactor technology in bioengineering?
Beer brewing uses batch reactors where yeast ferments malted barley, producing alcohol as a waste product. Specialized reactors enhance tissue engineering by improving cell viability through constant mixing and mechanical stimulation, promoting extracellular matrix production and directing cell growth and differentiation for tissue engineering and regenerative medicine applications.
Q7: What are the advantages and limitations of batch versus continuous reactors?
Batch reactors are simple and cost-effective but have limited cell density. Continuous reactors achieve higher cell densities but risk aggregation at very high densities, reducing growth efficiency. Longer continuous fermentation periods increase contamination risk, requiring careful monitoring and maintenance to ensure product quality.