Lote y biorreactores continuos
Biorreactores se utilizan para cultivar los organismos en grandes volúmenes, lo que permite la producción de grandes cantidades de producto objetivo.…
Biorreactores, también conocido como fermentadores, son sistemas de cultivo celular que proporcionan entornos de crecimiento adecuado. Comúnmente se utilizan dos tipos de Biorreactores en cultivo celular lote y biorreactores continuos de tanque agitado. Un reactor discontinuo es un sistema de vaso cerrado que contiene todos los componentes necesarios para el cultivo celular. Mientras que el reactor de tanque había agitado un continuo es un sistema abierto donde los componentes son activamente fluyendo dentro y fuera, que permite la eliminación de residuos y la reposición de nutrientes. Para maximizar el crecimiento celular y la densidad celular, varios parámetros del reactor puede ser controlado por ambos sistemas, incluyendo temperatura, presión, oxígeno disuelto y pH. Este video se introduce los principios fundamentales detrás de reactores continuos y por lotes y demostrar un procedimiento detallando su uso en el laboratorio.
El más simple tipo de biorreactor es el reactor discontinuo, que es un medio de cultivo celular que contiene sistema cerrado y una población de células. A medida que las células crecen, consumen los nutrientes y excretar los residuos, que se acumulan en el recipiente. También se utilizan reactores continuos de tanque agitado, que son sistemas abiertos donde nutrientes fluyen continuamente en, y residuos de células y células flujo hacia fuera. Esto permite el control de la densidad celular a través de la eliminación de residuos y la reposición de nutrientes. Antes de utilizar cualquier sistema, los componentes se esterilizan, generalmente con vapor, con el fin de mitigar la contaminación. Cuando el reactor está montado completamente, medios de cultivo estéril se añade al recipiente principal y luego inoculados con una cultura de arrancador. Durante el uso, mezcla y la oxigenación son controlados con el uso de hélices para mantener una solución homogénea donde las células están provistas de una cantidad suficiente de nutrientes y oxígeno necesario para el crecimiento. Además, los sistemas tanque fermentador a menudo están equipados con sondas para medir condiciones tales como temperatura, oxígeno disuelto y pH para asegurar las condiciones óptimas para el crecimiento. Durante el crecimiento del lote, la población de la célula pasa por fases de crecimiento clásico. En primer lugar, las células entran en fase lag, donde las células crecen lentamente como se adaptan a su entorno. A continuación, las células entran en fase de registro y dividen a un ritmo exponencial hasta que se agotan los nutrientes o subproductos tóxicos alcanzan un nivel crítico. Finalmente, se ralentiza el crecimiento y las células llegan a la fase estacionaria que ofrece la oportunidad de cosechar el producto de interés de la cultura. El producto es ya sea secretado por las células y recogen directamente en el caldo de cultivo o el producto permanece en la célula y debe ser retirado a través de lisis celular. Después de la cosecha, el reactor se prepara para un nuevo lote de cultura de célula por la limpieza y esterilización. Reactores de tanque agitado continuo exhiben patrones similares de crecimiento inicialmente y alcanzan una densidad constante de la célula en la operación de estado estacionario. Sin embargo, esta densidad de célula depende de la tasa de dilución, que es la alimentación y la velocidad efluente dividido por el volumen de reactor. Así, cuando uno acerca a la tasa de dilución, disminuye la densidad celular. Al considerar configuraciones de biorreactor, es útil a tener en cuenta que los reactores por lotes son de uso frecuente debido a su simplicidad y bajo costo, aunque la densidad celular es limitada. Reactores continuos son capaces de aumentar la densidad celular. Sin embargo, en las densidades de célula alta agregación puede ocurrir, que impide el crecimiento óptimo. Además, largos periodos de fermentación pueden aumentar el riesgo de contaminación de la cultura.
Ahora que hemos introducido reactores continuos y por lotes, vamos a examinar a un procedimiento para los dos, a partir del reactor por lotes. Antes del uso de reactor por lotes, los medios de comunicación celular se agrega a un vaso de reacción limpio. Una vez rellenado, los componentes de la embarcación son enjuagados con agua desionizada y montados. Los componentes incluyen la placa principal, la pipa de la cosecha para la cultura de muestreo, un impulsor para mantener la uniformidad de la cultura y los medios de comunicación oxigenación y sparger gas darle infusión de gas a la cultura. Asamblea continúa con la instalación de una sonda de oxigenación para medir el contenido de oxígeno disuelto en el vaso, alimentación de líneas para agregar ácido o base para el control de pH y una sonda de pH calibrado. Cuando todos los componentes están instalados, el reactor montado se esteriliza mediante autoclave. El recipiente entonces se instala en la fermentadora de la base, donde la sonda de pH y sonda de oxígeno están conectados a la computadora. Además, el sparger de gas está conectado a un rotámetro de gas, que mide el caudal de gas. En este momento, se activa el impulsor y el flujo de gas, la temperatura y la agitación del recipiente se ajustan hasta que se alcanzan los parámetros deseados. El puerto de inoculación es entonces esterilizado con alcohol y la cultura de arrancador dispensados en la vasija del reactor. Durante la operación, se toman muestras de la cultura de célula en puntos de tiempo seleccionado para construir una curva de crecimiento basada en las mediciones de densidad celular. Cuando la densidad celular alcanza el nivel deseado, la cultura se detiene y las células se cosechan desde el buque a través de una serie de pasos de filtración. El contenido remanente de recipiente se desechan utilizando lejía u otros contenidos anti-microbiana.
Similares a los reactores por lotes, continuados reactores de tanque agitado, a veces llamados chemostats, requieren sus componentes individuales para enjuagarse con agua desionizada antes de Asamblea. Una vez limpios, los componentes de la Asamblea y eje del agitador están encajados entre sí, y la vasija del reactor se llena con agua desionizada para mejorar la esterilización en autoclave. Disuelto las sondas de oxígeno, pH y temperatura son calibradas, entonces posteriormente instaladas. Con el buque totalmente montado, el reactor se esteriliza mediante autoclave. Después de la esterilización, el vaso se coloca en una chaqueta de calor para controlar su temperatura, y están conectadas las sondas calibradas. Entonces, la oferta media Damajuana y el aire con un filtro estéril están conectados antes de encender el flujo de aire. El buque está preparado con medios estériles por aflojar el tubo de la bombona y luego ejecutando el programa básico del fermentador. Como los medios de comunicación fluye en el reactor activo, el puerto de inoculación se esteriliza con alcohol antes de un mililitro de la cultura de arrancador se agrega al recipiente. Durante la operación, se toman muestras de la cultura en momentos seleccionados para medir la densidad celular. Esta información entonces se utiliza para construir una curva de crecimiento. Crecimiento óptimo se alcanza cuando la cultura alcanza el estado estacionario, lo que significa que la densidad celular permanece constante.
Ahora que han aprendido sobre lote y reactores de tanque agitado continuo, vamos a ver algunas aplicaciones prácticas de esta tecnología. La cerveza se realiza generalmente por cultivo de levadura en un sistema de reactor por lotes. Un conjunto de ingredientes básicos consisten en agua purificada, cebada malteada, lúpulo y levadura se agregan a un reactor. La cebada malteada estimula el proceso de fermentación, actuando como una fuente de alimento rico en azúcar para la levadura, que, cuando se consume, resulta en la producción de alcohol como un producto de desecho. Una vez que la mezcla ha llegado a su contenido en alcohol blanco, o fermentado para la cantidad de tiempo prescrita, puede ser filtrada, empaquetado y dejó a la edad para inducir la carbonatación antes de que se distribuye el producto final. Reactores estándar pueden también modificar para requisitos particulares para propósitos especializados. Por ejemplo, reactores especializados pueden utilizarse para aumentar la viabilidad celular de andamios de tejido a través de la célula mejorada y distribución de nutrientes mezclando constante. Al mismo tiempo, estímulo mecánico puede aplicarse al andamio para estimular la producción de matriz extracelular y dirigir activamente la diferenciación y crecimiento celular. Los andamios que han mejorado características fisiológicas y mecánicas, lo que los hace atractivos para la implantación.
Sólo has visto video de Zeus en lote y continuo reactores agitados. Ahora deben entender cómo funcionan por lotes y biorreactores continuos de tanque agitado, y cómo estos sistemas pueden aplicarse en el campo de la bioingeniería. Gracias por ver.
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Los biorreactores, también conocidos como fermentadores, son sistemas de cultivo celular que proporcionan entornos de crecimiento adecuados. Dos tipos de biorreactores se utilizan comúnmente en el cultivo celular, biorreactores de tanque agitado continuo y por lotes. Un reactor discontinuo es un sistema de recipiente cerrado que contiene todos los componentes necesarios para el cultivo celular, mientras que un reactor de tanque agitado continuo es un sistema abierto donde los componentes fluyen activamente hacia adentro y hacia afuera, lo que permite la eliminación de desechos y la reposición de nutrientes. Para maximizar el crecimiento y la densidad celular, se pueden controlar múltiples parámetros del reactor para ambos sistemas, incluida la temperatura, la presión, el oxígeno disuelto y el pH. Este video presentará los principios fundamentales detrás de los reactores continuos y por lotes y demostrará un procedimiento que detalla su uso en el laboratorio.
El tipo más simple de biorreactor es el reactor por lotes, que es un sistema cerrado que contiene medios de cultivo celular y una población de células. A medida que las células crecen, consumen los nutrientes y excretan los desechos, que se acumulan en el recipiente. También se utilizan reactores de tanque agitado continuo, que son sistemas abiertos donde los nutrientes fluyen continuamente hacia adentro y las celdas y los desechos celulares fluyen hacia afuera. Esto permite el control de la densidad celular mediante la eliminación de residuos y la reposición de nutrientes. Antes del uso de cualquiera de los sistemas, los componentes se esterilizan, generalmente usando vapor, para mitigar la contaminación. Cuando el reactor está completamente ensamblado, se agregan medios de cultivo estériles al recipiente principal y luego se inocula con un cultivo iniciador. Durante el uso, la mezcla y la oxigenación se controlan con el uso de impulsores para mantener una solución homogénea en la que las células reciben cantidades suficientes de nutrientes y oxígeno necesarios para el crecimiento. Además, los sistemas de tanques fermentadores a menudo están equipados con sondas para medir condiciones como la temperatura, el oxígeno disuelto y el pH para garantizar condiciones óptimas para el crecimiento. Durante el crecimiento por lotes, la población celular pasa por fases clásicas de crecimiento. En primer lugar, las células entran en la fase de retraso, en la que las células crecen lentamente a medida que se adaptan a su entorno. A continuación, las células entran en la fase logarítmica y se dividen a un ritmo exponencial hasta que los nutrientes se agotan o los subproductos tóxicos alcanzan un nivel crítico. Eventualmente, el crecimiento se ralentiza y las células alcanzan la fase estacionaria, lo que brinda la oportunidad de cosechar el producto de interés del cultivo. El producto es secretado por las células y recogido directamente del caldo de cultivo, o el producto permanece en la célula y debe eliminarse mediante lisis celular. Después de la cosecha, el reactor se prepara para un nuevo lote de cultivo celular mediante limpieza y esterilización.
Los reactores de tanque agitado continuo exhiben patrones de crecimiento similares inicialmente y alcanzan una densidad de celda constante en operación de estado estacionario. Sin embargo, esta densidad de celda depende de la tasa de dilución, que es la tasa de alimentación y efluente dividida por el volumen del reactor. Por lo tanto, a medida que la tasa de dilución se acerca a uno, la densidad celular disminuye. Al considerar las configuraciones de biorreactores, es útil tener en cuenta que los reactores discontinuos se utilizan a menudo debido a su simplicidad y bajo costo, aunque la densidad celular es limitada. Los reactores continuos son capaces de aumentar la densidad de las células. Sin embargo, a altas densidades celulares puede producirse una agregación, lo que impide un crecimiento óptimo. Además, los períodos más largos de fermentación pueden aumentar el riesgo de contaminación del cultivo.
Ahora que hemos introducido los reactores discontinuos y continuos, examinemos un procedimiento para ambos, comenzando con el reactor discontinuo. Antes del uso del reactor por lotes, los medios celulares se agregan a un recipiente de reacción limpio. Una vez llenos, los componentes del recipiente se enjuagan con agua desionizada y se ensamblan. Los componentes incluyen la placa principal, la tubería de recolección para el muestreo de cultivos, un impulsor para mantener la uniformidad del cultivo y la oxigenación de los medios, y un rociador de gas para proporcionar infusión de gas al cultivo. El montaje continúa con la instalación de una sonda de oxigenación para medir el contenido de oxígeno disuelto en el recipiente, líneas de alimentación para agregar ácido o base para controlar el pH y una sonda de pH calibrada. Cuando todos los componentes están instalados, el reactor ensamblado se esteriliza mediante un autoclave. A continuación, el recipiente se instala en la base del fermentador, donde tanto la sonda de pH como la sonda de oxígeno se conectan al ordenador. Además, el rociador de gas está conectado a un rotámetro de gas, que mide el caudal de gas. En este momento, se enciende el impulsor y se ajustan el flujo de gas, la temperatura y la agitación del recipiente hasta que se alcanzan los parámetros deseados. A continuación, el puerto de inoculación se esteriliza con alcohol y el cultivo iniciador se dispensa en la vasija del reactor. Durante el funcionamiento, se extraen muestras de cultivo celular en puntos de tiempo seleccionados para construir una curva de crecimiento basada en mediciones de densidad celular. Cuando la densidad celular alcanza el nivel deseado, el cultivo se detiene y las células se recolectan del recipiente a través de una serie de pasos de filtración. El resto del contenido de los recipientes se elimina con lejía u otros contenidos antimicrobianos.
Al igual que los reactores discontinuos, los reactores de tanque agitado continuo, a veces llamados quimiostatos, requieren que sus componentes individuales se enjuaguen a fondo con agua desionizada antes del ensamblaje. Una vez limpio, el conjunto del agitador y los componentes del eje de transmisión se encajan, y la vasija del reactor se llena con agua desionizada para mejorar la esterilización durante el autoclave. Las sondas de oxígeno disuelto, pH y temperatura se calibran y luego se instalan. Con la vasija completamente ensamblada, el reactor se esteriliza mediante un autoclave. Después de la esterilización, el recipiente se coloca en una camisa térmica para controlar su temperatura y se conectan las sondas calibradas. A continuación, se conectan la garrafa de medios y el suministro de aire con un filtro estéril antes de abrir el flujo de aire. El recipiente se ceba con medios estériles soltando el tubo de garrafón y luego ejecutando el programa básico del fermentador. A medida que los medios fluyen hacia el reactor activo, el puerto de inoculación se esteriliza con alcohol antes de agregar un mililitro de cultivo iniciador al recipiente. Durante el funcionamiento, se toman muestras de cultivo en puntos de tiempo seleccionados para medir la densidad celular. Estos datos se utilizan para construir una curva de crecimiento. El crecimiento óptimo se logra cuando el cultivo alcanza un estado estacionario, lo que significa que la densidad celular permanece constante.
Ahora que ha aprendido sobre los reactores de tanque agitado continuo y por lotes, veamos algunas aplicaciones prácticas de esta tecnología. La elaboración de cerveza se realiza normalmente cultivando levadura en un sistema de reactor por lotes. A un reactor se le añade un conjunto de ingredientes básicos que consisten en agua purificada, cebada malteada, lúpulo y levadura. La cebada malteada estimula el proceso de fermentación al actuar como una fuente de alimento rica en azúcar para la levadura, que, cuando se consume, da como resultado la producción de alcohol como producto de desecho. Una vez que la mezcla ha alcanzado su contenido de alcohol objetivo, o se ha fermentado durante el tiempo prescrito, se puede filtrar, empaquetar y dejar envejecer para inducir la carbonatación antes de que se distribuya el producto final. Los reactores estándar también se pueden personalizar para fines especializados. Por ejemplo, los reactores especializados se pueden utilizar para aumentar la viabilidad celular de los andamios de tejidos a través de una mejor distribución de células y nutrientes mediante una mezcla constante. Al mismo tiempo, se puede aplicar estimulación mecánica al andamio para estimular la producción de matriz extracelular y dirigir activamente el crecimiento y la diferenciación celular. Los andamios resultantes tienen propiedades fisiológicas y mecánicas mejoradas, lo que los hace atractivos para la implantación.
Acabas de ver el vídeo de Jove sobre los reactores de agitación discontinua y continua. Ahora debería comprender cómo funcionan los biorreactores de tanque agitado continuo y por lotes, y cómo se pueden aplicar estos sistemas en el campo de la bioingeniería. Gracias por mirar.
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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.