Bioréacteurs discontinus et continus
Bioréacteurs sont utilisés pour pousser les organismes en grande quantité, ce qui permet la production de grandes quantités du produit cible. Ces réac…
Bioréacteurs, également connu sous le nom de fermenteurs, sont des systèmes de cultures cellulaires qui offrent un environnement approprié de la croissance. Deux types de bioréacteurs sont couramment utilisés en culture cellulaire, lot et bioréacteurs continu réservoir agité. Un réacteur discontinu est une installation à vase fermé contenant tous les éléments nécessaires pour la culture cellulaire. Considérant qu’un continu agité réacteur réservoir un système ouvert où les composants sont activement circule dedans et dehors, qui permet l’élimination des déchets et la reconstitution des éléments nutritifs. Afin de maximiser la croissance cellulaire et la densité cellulaire, plusieurs paramètres du réacteur peut être contrôlé pour les deux systèmes, y compris la température, pression, dissous l’oxygène et le pH. Cette vidéo, présentent les principes fondamentaux derrière lot et réacteurs continus et démontrer une procédure décrivant leur utilisation en laboratoire.
Le type le plus simple de bioréacteur est le réacteur discontinu, c'est-à-dire un milieu de culture cellulaire contenant système fermé et une population de cellules. Comme les cellules se développent, ils consomment les éléments nutritifs et excrètent les déchets qui s’accumule dans le bateau. Réacteurs de réservoir agité continu sont également utilisés, qui sont des systèmes ouverts où les éléments nutritifs passent en permanence dans, et les cellules et les cellules des déchets s’écoulent. Cela permet au contrôle de la densité cellulaire via l’élimination des déchets et la reconstitution des éléments nutritifs. Avant l’utilisation de deux systèmes, les composants sont stérilisés, généralement à l’aide de vapeur, afin d’atténuer la contamination. Quand le réacteur est assemblé, milieux de culture stérile est ajoutée dans la cuve principale et ensuite inoculé avec une culture starter. Pendant l’utilisation, de mélange et l’oxygénation sont commandés par l’utilisation des roues à aubes pour maintenir une solution homogène où les cellules sont fournis avec une quantité suffisante de nutriments et l’oxygène nécessaire à la croissance. En outre, les systèmes de réservoir cuve de fermentation sont souvent équipés de sondes pour mesurer les conditions telles que la température, dissous l’oxygène et le pH afin d’assurer des conditions optimales pour la croissance. Durant la croissance de lot, la population cellulaire subit des phases de croissance classique. Tout d’abord, les cellules dans la phase de latence, où les cellules se développent lentement car ils s’adaptent à leur environnement. Ensuite, les cellules entrer dans la phase logarithmique et divisent à un rythme exponentiel jusqu'à ce que les éléments nutritifs sont épuisés ou de sous-produits toxiques atteignent un niveau critique. Finalement, la croissance ralentit et les cellules atteignent la phase stationnaire qui offre la possibilité de récolter le fruit de l’intérêt de la culture. Le produit est soit sécrété par les cellules et prélevé directement dans le bouillon de culture, soit le produit reste dans la cellule et doit être retiré par le biais de lyse cellulaire. Après la récolte, le réacteur est préparé pour un nouveau lot de culture de cellules de nettoyage et de stérilisation. Continu réservoir agité réacteurs montrent des patrons de croissance semblable au départ et atteint une densité constante au fonctionnement stabilisé. Cependant, cette densité cellulaire dépend du taux de dilution, qui est l’alimentation et les effluent taux divisé par le volume du réacteur. Ainsi, le taux de dilution on l’approche, la densité des cellules diminue. Si l'on considère les configurations de bioréacteur, il est utile de garder à l’esprit que les réacteurs biologiques séquentiels sont souvent utilisés en raison de leur simplicité et faible coût, même si la densité cellulaire est limitée. Les réacteurs continus sont capables d’augmenter la densité des cellules. Toutefois, à la densité des cellules haute agrégation peut survenir, empêchant la croissance optimale. En outre, des périodes plus longues de fermentation peuvent augmenter le risque de contamination de la culture.
Maintenant que nous avons introduit par lots et réacteurs continus, examinons une procédure pour les deux, commençant par le réacteur discontinu. Avant l’utilisation de lots de réacteur, milieux cellulaires sont ajouté à une cuve propre. Une fois remplis, les composants du vaisseau sont rincés à l’eau désionisée et assemblés. Les composants incluent la plaque de tête, le tuyau de récolte pour l’échantillonnage, doté d’une hélice pour maintenir l’uniformité de la culture et oxygénation des médias et camion-citerne de gaz d’infusion de gaz pour la culture de la culture. L’Assemblée se poursuit avec l’installation d’une sonde d’oxygénation pour mesurer la teneur en oxygène dissous dans l’enceinte, que se nourrissent des lignes pour l’ajout d’acide ou base pour contrôler le pH et d’une sonde de pH calibré. Lorsque tous les composants sont installés, le réacteur assemblé est stérilisé dans un autoclave. Le navire est alors installé dans la cuve de fermentation base, où la sonde de pH et sonde de l’oxygène sont connectés à l’ordinateur. En outre, le camion-citerne de gaz est reliée à un rotamètre de gaz, qui mesure le débit de gaz. A cette époque, la turbine est allumée et le débit de gaz, la température et agitation du navire sont ajustés jusqu'à ce que les paramètres souhaités sont atteints. Le port de l’inoculation est ensuite stérilisé avec de l’alcool et la culture de départ versée dans la cuve du réacteur. Au cours de l’opération, cellule culture échantillons sont prélevés à des moments choisis pour construire une courbe de croissance basée sur les mesures de densité cellulaire. Lorsque la densité cellulaire atteint le niveau désiré, la culture est arrêtée et les cellules sont récoltées dans le bateau à travers une série d’étapes de filtration. Le contenu de navires restants est éliminé à l’aide d’eau de Javel ou autre contenu anti-microbienne.
Semblables aux réacteurs biologiques séquentiels, continus réacteurs réservoir brassé, parfois appelés chémostats, exigent leurs composants à être rincé à l’eau désionisée avant l’Assemblée. Une fois nettoyé, les composantes d’assemblage et arbre de transmission de l’agitateur sont montés ensemble, et la cuve du réacteur rempli d’eau déionisée pour améliorer la stérilisation en autoclave. Dissous les sondes d’oxygène, le pH et la température sont calibrés, puis par la suite installés. Alors que le navire entièrement assemblé, le réacteur est stérilisé à l’aide d’un autoclave. Après la stérilisation, le navire est placé dans une chambre thermique pour contrôler sa température, et les sondes calibrées sont connectés. Ensuite, l’alimentation du fluide tourie et l’air avec un filtre stérile sont connectés avant d’allumer le courant d’air. Le navire est amorcé contenant du milieu stérile de desserrage de la tubulure de tourie et puis en exécutant le programme de base fermenteur. Comme les médias se jette dans le réacteur actif, le port de l’inoculation est stérilisé avec de l’alcool avant l’ajout d’un millilitre de culture starter au navire. Au cours de l’opération, échantillons de culture sont prises à des moments choisis pour mesurer la densité des cellules. Ces données sont ensuite utilisées pour construire une courbe de croissance. Croissance optimale est obtenue lorsque la culture atteint état stationnaire, ce qui signifie que la densité des cellules reste constante.
Maintenant que vous avez appris sur le lot et réacteurs continu réservoir agité, regardons quelques applications pratiques de cette technologie. La bière est généralement effectuée par la croissance de levure dans un système de réacteur discontinu. Un ensemble d’ingrédients de base consistant en eau purifiée, orge malté, houblon et levure sont ajoutés à un réacteur. L’orge maltée stimule le processus de fermentation en agissant comme une source d’aliments riches en sucre pour la levure, qui, lorsqu’il est consommé, entraîne la production d’alcool comme un déchet. Une fois que le mélange a atteint sa teneur en alcool cible, ou fermenté pendant le temps prescrit, il peut être filtré, emballé et laissé à l’âge pour induire la carbonatation avant que le produit final est distribué. Réacteurs standards peuvent également être personnalisés à des fins spécialisés. Par exemple, réacteurs spécialisés permet d’accroître la viabilité des cellules d’échafaudages de tissus par cellule renforcée et de la distribution des éléments nutritifs en mélangeant constamment. Simultanément, une stimulation mécanique peut être appliquée à l’échafaud pour encourager la production de matrice extracellulaire et diriger activement la différenciation et la croissance cellulaire. Les échafaudages qui en résultent ont amélioré les propriétés physiologiques et mécaniques, ce qui les rend attrayants pour l’implantation.
Vous avez juste regardé les vidéo de Jove lot et continus agitées réacteurs. Vous devez maintenant comprendre comment lot et bioréacteurs continu réservoir agité fonctionnent, et comment ces systèmes peuvent être appliquées dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci de regarder.
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Les bioréacteurs, également appelés fermenteurs, sont des systèmes de culture cellulaire qui fournissent des environnements de croissance appropriés. Deux types de bioréacteurs sont couramment utilisés dans les bioréacteurs de culture cellulaire, les bioréacteurs discontinus et les bioréacteurs à cuve agitée continue. Un réacteur discontinu est un système à cuve fermée contenant tous les composants nécessaires à la culture cellulaire, tandis qu’un réacteur à cuve agitée continue est un système ouvert où les composants entrent et sortent activement, permettant l’élimination des déchets et le réapprovisionnement en nutriments. Pour maximiser la croissance et la densité cellulaires, plusieurs paramètres du réacteur peuvent être contrôlés pour les deux systèmes, notamment la température, la pression, l’oxygène dissous et le pH. Cette vidéo présentera les principes fondamentaux des réacteurs discontinus et discontinus et démontrera une procédure détaillant leur utilisation en laboratoire.
Le type de bioréacteur le plus simple est le réacteur discontinu, qui est un système fermé contenant des milieux de culture cellulaire et une population de cellules. Au fur et à mesure que les cellules se développent, elles consomment les nutriments et excrètent les déchets, qui s’accumulent dans le vaisseau. Des réacteurs à cuve agitée continue sont également utilisés, qui sont des systèmes ouverts où les nutriments entrent en permanence et où les cellules et les déchets cellulaires s’écoulent. Cela permet de contrôler la densité cellulaire via l’élimination des déchets et la reconstitution des nutriments. Avant l’utilisation de l’un ou l’autre système, les composants sont stérilisés, généralement à la vapeur, afin d’atténuer la contamination. Lorsque le réacteur est entièrement assemblé, un milieu de culture stérile est ajouté à la cuve principale, puis inoculé avec une culture de démarrage. Pendant l’utilisation, le mélange et l’oxygénation sont contrôlés à l’aide de roues pour maintenir une solution homogène où les cellules sont alimentées avec des quantités suffisantes de nutriments et d’oxygène nécessaires à la croissance. De plus, les systèmes de cuves de fermentation sont souvent équipés de sondes pour mesurer des conditions telles que la température, l’oxygène dissous et le pH afin de garantir des conditions optimales pour la croissance. Au cours de la croissance par lots, la population cellulaire subit des phases de croissance classiques. Tout d’abord, les cellules entrent dans la phase de latence, où les cellules se développent lentement en s’adaptant à leur environnement. Ensuite, les cellules entrent en phase logarithmique et se divisent à un rythme exponentiel jusqu’à ce que les nutriments soient épuisés ou que les sous-produits toxiques atteignent un niveau critique. Finalement, la croissance ralentit et les cellules atteignent la phase stationnaire qui offre l’occasion de récolter le produit d’intérêt de la culture. Le produit est soit sécrété par les cellules et recueilli directement dans le bouillon de culture, soit le produit reste dans la cellule et doit être éliminé par lyse cellulaire. Après la récolte, le réacteur est préparé pour un nouveau lot de culture cellulaire par nettoyage et stérilisation.
Les réacteurs à cuve agitée continue présentent initialement des schémas de croissance similaires et atteignent une densité cellulaire constante en régime permanent. Cependant, cette densité de cellule dépend du taux de dilution, c’est-à-dire le débit d’alimentation et d’effluent divisé par le volume du réacteur. Ainsi, lorsque le taux de dilution s’approche de un, la densité cellulaire diminue. Lorsque l’on considère les configurations de bioréacteurs, il est utile de garder à l’esprit que les réacteurs discontinus sont souvent utilisés en raison de leur simplicité et de leur faible coût, bien que la densité cellulaire soit limitée. Les réacteurs continus sont capables d’augmenter la densité des cellules. Cependant, à des densités cellulaires élevées, l’agrégation peut se produire, empêchant une croissance optimale. De plus, des périodes de fermentation plus longues peuvent augmenter le risque de contamination de la culture.
Maintenant que nous avons introduit les réacteurs discontinus et discontinus, examinons une procédure pour les deux, en commençant par le réacteur discontinu. Avant l’utilisation du réacteur discontinu, le milieu cellulaire est ajouté à une cuve de réaction propre. Une fois remplis, les composants de la cuve sont rincés à l’eau déminéralisée et assemblés. Les composants comprennent la plaque de tête, le tuyau de récolte pour l’échantillonnage de la culture, une turbine pour maintenir l’uniformité de la culture et l’oxygénation du milieu, et un barboteur de gaz pour fournir une infusion de gaz à la culture. L’assemblage se poursuit avec l’installation d’une sonde d’oxygénation pour mesurer la teneur en oxygène dissous dans la cuve, de lignes d’alimentation pour l’ajout d’acide ou de base pour contrôler le pH, et d’une sonde de pH calibrée. Lorsque tous les composants sont installés, le réacteur assemblé est stérilisé à l’aide d’un autoclave. La cuve est ensuite installée dans la base du fermenteur, où la sonde de pH et la sonde d’oxygène sont connectées à l’ordinateur. De plus, le barboteur de gaz est connecté à un rotamètre à gaz, qui mesure le débit de gaz. À ce moment, la roue est mise en marche et le débit de gaz, la température et l’agitation de la cuve sont ajustés jusqu’à ce que les paramètres souhaités soient atteints. L’orifice d’inoculation est ensuite stérilisé à l’alcool et la culture de démarrage est distribuée dans la cuve du réacteur. Pendant le fonctionnement, des échantillons de culture cellulaire sont prélevés à des points temporels sélectionnés pour construire une courbe de croissance basée sur des mesures de densité cellulaire. Lorsque la densité cellulaire atteint le niveau souhaité, la culture est arrêtée et les cellules sont récoltées dans le récipient à travers une série d’étapes de filtration. Le reste du contenu du récipient est éliminé à l’aide d’eau de Javel ou d’un autre contenu antimicrobien.
À l’instar des réacteurs discontinus, les réacteurs à réservoir brassé continu, parfois appelés chimiostats, nécessitent que leurs composants individuels soient soigneusement rincés à l’eau désionisée avant d’être assemblés. Une fois nettoyés, l’ensemble de l’agitateur et les composants de l’arbre d’entraînement sont assemblés, et la cuve du réacteur est remplie d’eau désionisée pour améliorer la stérilisation pendant l’autoclavage. Les sondes d’oxygène dissous, de pH et de température sont étalonnées, puis installées. Une fois la cuve entièrement assemblée, le réacteur est stérilisé à l’aide d’un autoclave. Après la stérilisation, le récipient est placé dans une enveloppe thermique pour contrôler sa température, et les sondes calibrées sont connectées. Ensuite, la tourie du média et l’alimentation en air avec un filtre stérile sont connectées avant d’allumer le flux d’air. Le récipient est amorcé avec un milieu stérile en desserrant le tube de la tourie, puis en exécutant le programme de fermentation de base. Au fur et à mesure que le milieu s’écoule dans le réacteur actif, l’orifice d’inoculation est stérilisé à l’alcool avant qu’un millilitre de culture de démarrage ne soit ajouté dans le récipient. Pendant le fonctionnement, des échantillons de culture sont prélevés à des moments choisis pour mesurer la densité cellulaire. Ces données sont ensuite utilisées pour construire une courbe de croissance. Une croissance optimale est obtenue lorsque la culture atteint l’état d’équilibre, ce qui signifie que la densité cellulaire reste constante.
Maintenant que vous en savez plus sur les réacteurs à cuve agitée discontinue et continue, examinons quelques applications pratiques de cette technologie. Le brassage de la bière est généralement effectué en cultivant des levures dans un système de réacteur discontinu. Un ensemble d’ingrédients de base composé d’eau purifiée, d’orge maltée, de houblon et de levure est ajouté à un réacteur. L’orge maltée stimule le processus de fermentation en agissant comme une source de nourriture riche en sucre pour la levure, qui, lorsqu’elle est consommée, entraîne la production d’alcool comme déchet. Une fois que le mélange a atteint sa teneur en alcool cible, ou qu’il a fermenté pendant la durée prescrite, il peut être filtré, emballé et laissé vieillir pour induire la carbonatation avant que le produit final ne soit distribué. Les réacteurs standard peuvent également être personnalisés à des fins spécialisées. Par exemple, des réacteurs spécialisés peuvent être utilisés pour augmenter la viabilité cellulaire des échafaudages tissulaires grâce à une meilleure distribution des cellules et des nutriments par un mélange constant. Simultanément, une stimulation mécanique peut être appliquée à l’échafaudage pour encourager la production de matrice extracellulaire et diriger activement la croissance et la différenciation cellulaires. Les échafaudages qui en résultent ont des propriétés physiologiques et mécaniques améliorées, ce qui les rend attrayants pour l’implantation.
Vous venez de regarder la vidéo de Jove sur les réacteurs à agitation discontinue et continue. Vous devriez maintenant comprendre comment fonctionnent les bioréacteurs à cuve agitée discontinue et continue, et comment ces systèmes peuvent être appliqués dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci d’avoir regardé.
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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.