אצווה וביו-רקטורים רציפים
Bioreactors משמשים לגידול אורגניזמים בכמויות גדולות, ובכך מאפשרים ייצור כמויות גדולות של מוצר היעד. כורים אלה יכולים להיות כורי אצווה, המכילים את כל ה…
Bioreactors, הידוע גם בשם תסיסה, הם מערכות תרבית תאים המספקות סביבות צמיחה מתאימות. שני סוגים של bioreactors משמשים בדרך כלל תרבית התא, אצווה ו bioreactors טנק מעורבב מתמשך. כור אצווה הוא מערכת כלי שיט סגורה המכילה את כל הרכיבים הדרושים לתרבות התאים, ואילו כור טנקים מעורבב רציף הוא מערכת פתוחה שבה הרכיבים זורמים באופן פעיל פנימה והחוצה, ומאפשרים פינוי פסולת וחידוש החומרים המזינים. כדי למקסם את צמיחת התא ואת צפיפות התאים, ניתן לשלוט בפרמטרים מרובים של הכור עבור שתי המערכות, כולל טמפרטורה, לחץ, חמצן מומס ו- pH. וידאו זה יציג את עקרונות היסוד מאחורי אצווה וכורים רציפים ולהדגים הליך המפרט את השימוש בהם במעבדה.
הסוג הפשוט ביותר של bioreactor הוא כור אצווה, שהוא מערכת סגורה המכילה מדיה תרבית תאים ואוכלוסיית תאים. ככל שהתאים גדלים, הם צורכים את החומרים המזינים ומופרשים פסולת, המצטברת בכלי הדם. כורי טנקים מעורבבים רציפים משמשים גם, שהם מערכות פתוחות שבהן חומרים מזינים זורמים ברציפות פנימה, ותאים ופסולת תאים זורמים החוצה. זה מאפשר שליטה על צפיפות התא באמצעות הסרת פסולת וחידוש החומרים המזינים. לפני השימוש בכל אחת מהמערכות, הרכיבים מעוקרים, בדרך כלל באמצעות קיטור על מנת למתן את הזיהום. כאשר הכור מורכב במלואו, מדיה תרבותית סטרילית מתווספת לכלי הראשי ולאחר מכן מחוסנת עם תרבות המתנע. במהלך השימוש, ערבוב חמצון נשלטים עם השימוש של דוחפים כדי לשמור על פתרון הומוגני שבו תאים מסופקים עם כמויות מספיקות של חומרים מזינים וחמצן הדרושים לצמיחה. בנוסף, מערכות מיכלי תסיסה מצוידות לעתים קרובות בבדיקות למדידת תנאים כגון טמפרטורה, חמצן מומס ו- pH כדי להבטיח תנאים אופטימליים לצמיחה. במהלך צמיחת אצווה, אוכלוסיית התאים עוברת שלבי צמיחה קלאסיים. ראשית, התאים נכנסים לשלב ההשהיה, שבו התאים גדלים לאט כשהם מסתגלים לסביבתם. לאחר מכן, תאים נכנסים לשלב יומן ומתחלקים בקצב מעריכי עד שהתוצרי החומרים המזינים מותשים או תוצרי לוואי רעילים מגיעים לרמה קריטית. בסופו של דבר, הצמיחה מאטה והתאים מגיעים לשלב הנייח המספק הזדמנות לקצור את תוצר העניין מהתרבות. המוצר מופרש על ידי התאים ונאסף ישירות ממרק התרבות, או שהמוצר נשאר בתא ויש להסירו באמצעות תמה של התא. לאחר הקציר, הכור מוכן לאצווה חדשה של תרבית תאים על ידי ניקוי ועיקור.
כורי טנקים מעורבבים רציפים מציגים דפוסי צמיחה דומים בתחילה ומגיעים לצפיפות תאים קבועה בפעולה יציבה. עם זאת, צפיפות תאים זו תלויה בקצב הדילול, שהוא קצב ההזנה והשקפים חלקי נפח הכור. לכן, ככל שקצב הדילול מתקרב לאחד, צפיפות התאים פוחתת. כאשר שוקלים תצורות bioreactor, כדאי לזכור כי כורי אצווה משמשים לעתים קרובות בגלל הפשטות שלהם עלות נמוכה, אם כי צפיפות התא מוגבלת. כורים רציפים מסוגלים להגדיל את צפיפות התאים. עם זאת, בצפיפות תאים גבוהה צבירה יכולה להתרחש, מניעת צמיחה אופטימלית. בנוסף, תקופות ארוכות יותר של תסיסה יכול להגביר את הסיכון של זיהום התרבות.
עכשיו שהכנסנו אצווה וכורים רציפים, בואו נבחן הליך עבור שניהם, החל בכור האצווה. לפני השימוש בכור אצווה, מדיה סלולרית מתווספת לכלי תגובה נקי. לאחר מילוי, רכיבי כלי הדם נשטפים במים דהיוניים ומורכבים. הרכיבים כוללים את צלחת הראש, צינור הקציר לדגימת תרבות, מדחף לשמירה על אחידות תרבותית וחימצון תקשורתי, ו- gas sparger כדי לספק עירוי גז לתרבות. ההרכבה ממשיכה בהתקנת בדיקה של חמצון כדי למדוד את תכולת החמצן המומסת בכלי, קווי הזנה להוספת חומצה או בסיס לשליטה ב- pH, ובדיקת pH מכוילת. כאשר כל הרכיבים מותקנים, הכור המורכב מעוקר באמצעות autoclave. כלי השיט מותקן לאחר מכן בבסיס התסיסה, שם מחוברים למחשב גם בדיקת ה-pH וגם בדיקת החמצן. בנוסף, בדל הגז מחובר לרוטמטר גז, המודד את קצב הזרמת הגז. בשלב זה, המדחף מופעל וזרימת הגז, הטמפרטורה והתסיסה של כלי השיט מותאמים עד שהפרמטרים הרצויים מושגים. נמל החיסון מעוקר לאחר מכן עם אלכוהול ותרבות המתנע מחולקת לספינת הכור. במהלך הפעולה, דגימות תרבית תאים מצוירות בנקודות זמן נבחרות כדי לבנות עקומת גדילה המבוססת על מדידות צפיפות תאים. כאשר צפיפות התא מגיעה לרמה הרצויה, התרבות נעצרת והתאים נקצרים מהכלי באמצעות סדרה של שלבי סינון. תכולת כלי הדם הנותרים מסולקת משימוש אקונומיקה או תוכן מיקרוביאלי אחר.
בדומה לכורים אצווה, כורים טנקים מעורבבים מתמשכים, המכונים לעתים כימותרפיה, דורשים את הרכיבים הבודדים שלהם לשטוף ביסודיות עם מים deionized לפני ההרכבה. לאחר ניקוי, הרכבת stirrer ורכיבי פיר כונן מצוידים יחד, ואת כלי הכור מלא במים deionized כדי לשפר את העיקור במהלך autoclaving. בדיקות חמצן, pH וטמפרטורה מומסות מכוילות, ולאחר מכן מותקנות. עם כלי הרכבה מלא, הכור מעוקר באמצעות autoclave. לאחר עיקור, כלי השיט ממוקם בז'קט חום כדי לשלוט בטמפרטורה שלו, ואת הבדיקות המכוילות מחוברים. לאחר מכן, carboy התקשורת ואספקת האוויר עם מסנן סטרילי מחוברים לפני הפעלת זרימת האוויר. כלי השיט מצויד במדיה סטרילית על ידי ביטול ההצתה של צינורות הקארבוי, ולאחר מכן הפעלת תוכנית התסיסה הבסיסית. כאשר התקשורת זורמת לתוך הכור הפעיל, נמל החיסון מעוקר באלכוהול לפני שמיליטר אחד של תרבות המתנע מתווסף לכלי השיט. במהלך הפעולה, דגימות תרבות נלקחות בנקודות זמן נבחרות כדי למדוד את צפיפות התאים. נתונים אלה משמשים לאחר מכן לבניית עקומת צמיחה. צמיחה אופטימלית מושגת כאשר התרבות מגיעה למצב יציב, כלומר צפיפות התאים נשארת קבועה.
עכשיו שלמדתם על אצווה וכורים מתמשכים של טנקים מעורבבים, בואו נסתכל על כמה יישומים מעשיים של הטכנולוגיה הזו. בירה מבשלת מבוצעת בדרך כלל על ידי גידול שמרים במערכת כור אצווה. קבוצה של מרכיבים בסיסיים המורכבים מים מטוהרים, שעורה מאלט, כשות, שמרים מתווספים לכור. השעורה מאלט מגרה את תהליך התסיסה על ידי מתנהג כמקור מזון עשיר בסוכר עבור שמרים, אשר, כאשר נצרך, תוצאות הייצור של אלכוהול כמוצר פסולת. לאחר שהתערובת הגיעה ליעדה של אלכוהול, או מותססת למשך הזמן שנקבע, ניתן לסנן אותה, לארוז אותה ולהותיר אותה לגיל כדי לגרום לפחמה לפני הפצת המוצר הסופי. כורים סטנדרטיים יכולים גם להיות מותאמים אישית למטרות מיוחדות. לדוגמה, כורים מיוחדים יכולים לשמש כדי להגדיל את הכדאיות התא של פיגומים רקמה באמצעות תאים משופרים והפצה תזונתית על ידי ערבוב מתמיד. בו זמנית, גירוי מכני יכול להיות מיושם על הפיגומים כדי לעודד ייצור מטריצה חוץ תאית באופן פעיל ישיר צמיחת תאים ובידול. הפיגומים המתקבלים שיפרו את התכונות הפיזיולוגיות והמכניות, מה שהופך אותם למושכים להשתה.
הרגע צפית בסרטון של יובה על אצווה וכורים רציף. עכשיו אתה צריך להבין איך אצווה ו bioreactors טנק מעורבב מתמשך לעבוד, וכיצד מערכות אלה ניתן ליישם בתחום bioengineering. תודה שצפיתם.
ביו-ריאקטורים, הידועים גם בשם תסיסה, הם מערכות תרבית תאים המספקות סביבות גידול מתאימות. שני סוגים של ביו-ריאקטורים נמצאים בשימוש נפוץ בתרבית תאים, אצווה וביו-ריאקטורים של מיכל ערבוב רציף. כור אצווה הוא מערכת כלי סגור המכילה את כל הרכיבים הדרושים לתרבית תאים, ואילו כור מיכל מעורבב רציף הוא מערכת פתוחה שבה רכיבים זורמים באופן פעיל פנימה והחוצה, ומאפשרים פינוי פסולת וחידוש חומרי הזנה. כדי למקסם את צמיחת התאים וצפיפות התאים, ניתן לשלוט בפרמטרים מרובים של כור עבור שתי המערכות, כולל טמפרטורה, לחץ, חמצן מומס ו-pH. סרטון זה יציג את העקרונות הבסיסיים מאחורי כורים אצווה ורציפים וידגים נוהל המפרט את השימוש בהם במעבדה.
הסוג הפשוט ביותר של ביו-ריאקטור הוא כור האצווה, שהוא מערכת סגורה המכילה אמצעי תרבית תאים ואוכלוסיית תאים. ככל שהתאים גדלים, הם צורכים את החומרים המזינים ומפרישים פסולת, המצטברת בכלי. משתמשים גם בכורים עם מיכל ערבוב רציף, שהם מערכות פתוחות שבהן חומרים מזינים זורמים פנימה ללא הרף, ותאים ופסולת תאים זורמים החוצה. זה מאפשר שליטה בצפיפות התאים באמצעות פינוי פסולת וחידוש חומרים מזינים. לפני השימוש בכל אחת מהמערכות, הרכיבים עוברים סטריליזציה, בדרך כלל באמצעות קיטור על מנת להפחית את הזיהום. כאשר הכור מורכב במלואו, מתווספת מצע תרבית סטרילי לכלי הראשי ולאחר מכן מחוסנת בתרבית מתנע. במהלך השימוש, ערבוב וחמצון נשלטים באמצעות אימפלרים כדי לשמור על תמיסה הומוגנית שבה התאים מסופקים עם כמויות מספיקות של חומרים מזינים וחמצן הדרושים לצמיחה. בנוסף, מערכות מיכלי תסיסה מצוידות לרוב בבדיקות למדידת תנאים כגון טמפרטורה, חמצן מומס ו-pH כדי להבטיח תנאים אופטימליים לצמיחה. במהלך גידול אצווה, אוכלוסיית התאים עוברת שלבי גידול קלאסיים. ראשית, התאים נכנסים לשלב הפיגור, שבו התאים גדלים לאט כשהם מסתגלים לסביבתם. לאחר מכן, תאים נכנסים לשלב הלוג ומתחלקים בקצב אקספוננציאלי עד שהחומרים המזינים מוצים או תוצרי לוואי רעילים מגיעים לרמה קריטית. בסופו של דבר, הצמיחה מואטת והתאים מגיעים לשלב הנייח המספק הזדמנות לקצור את התוצר המעניין מהתרבית. המוצר מופרש על ידי התאים ונאסף ישירות ממרק התרבית, או שהמוצר נשאר בתא ויש להסירו באמצעות ליזה של תאים. לאחר הקטיף, הכור מוכן לאצווה חדשה של תרבית תאים על ידי ניקוי ועיקור.
כורי טנק מעורבבים רציפים מציגים דפוסי צמיחה דומים בהתחלה ומגיעים לצפיפות תאים קבועה בפעולה במצב יציב. עם זאת, צפיפות תאים זו תלויה בקצב הדילול, שהוא קצב ההזנה והשפכים חלקי נפח הכור. לפיכך, ככל שקצב הדילול מתקרב לאחד, צפיפות התאים יורדת. כאשר בוחנים תצורות ביו-ריאקטור, כדאי לזכור כי כורי אצווה משמשים לעתים קרובות בגלל פשטותם ועלותם הנמוכה, אם כי צפיפות התאים מוגבלת. כורים רציפים מסוגלים להגדיל את צפיפות התאים. עם זאת, בצפיפות תאים גבוהה יכולה להתרחש צבירה המונעת צמיחה אופטימלית. בנוסף, תקופות תסיסה ארוכות יותר עלולות להגביר את הסיכון לזיהום תרבית.
כעת, לאחר שהצגנו כורי אצווה וכורי אצווה רציפים, בואו נבחן נוהל עבור שניהם, החל מכור האצווה. לפני השימוש בכור אצווה, מדיה תאית מתווספת לכלי תגובה נקי. לאחר המילוי, רכיבי הכלי נשטפים במים נטולי יונים ומורכבים. הרכיבים כוללים את לוחית הראש, צינור הקציר לדגימת תרבית, מאיץ לשמירה על אחידות התרבות וחמצון המדיה, ומזרז גז לאספקת עירוי גז לתרבות. ההרכבה ממשיכה בהתקנת בדיקת חמצון למדידת תכולת החמצן המומס בכלי, קווי הזנה להוספת חומצה או בסיס לבקרת pH ובדיקת pH מכוילת. כאשר כל הרכיבים מותקנים, הכור המורכב מעוקר באמצעות חיטוי. לאחר מכן מותקן הכלי בבסיס התסיסה, שם מחוברים למחשב גם בדיקת ה-pH וגם בדיקת החמצן. בנוסף, מזרז הגז מחובר לסיבוב גז, המודד את קצב זרימת הגז. בשלב זה, האימפלר מופעל וזרימת הגז, הטמפרטורה ותסיסת הכלי מותאמים עד להשגת הפרמטרים הרצויים. לאחר מכן מעקרים את פתח החיסון באלכוהול ותרבית המתנע מוזרקת לכלי הכור. במהלך הפעולה, דגימות תרבית תאים נמשכות בנקודות זמן נבחרות כדי לבנות עקומת גדילה המבוססת על מדידות צפיפות התאים. כאשר צפיפות התאים מגיעה לרמה הרצויה, התרבית נעצרת והתאים נקצרים מהכלי באמצעות סדרה של שלבי סינון. תכולת הכלי הנותרת נפטרת באמצעות אקונומיקה או תוכן אנטי-מיקרוביאלי אחר.
בדומה לכורי אצווה, כורי מיכל ערבוב רציף, הנקראים לפעמים כימוסטטים, דורשים שטיפה יסודית של הרכיבים האישיים שלהם במים נטולי יונים לפני ההרכבה. לאחר הניקוי, מכלול הבוחש ורכיבי גל ההינע מותקנים יחד, וכלי הכור מתמלא במים נטולי יונים כדי לשפר את העיקור במהלך החיטוי. בדיקות חמצן, pH וטמפרטורה מומסות מכוילות, ולאחר מכן מותקנות לאחר מכן. כאשר הכלי מורכב במלואו, הכור מעוקר באמצעות חיטוי. לאחר העיקור, הכלי מונח במעיל חום כדי לשלוט בטמפרטורה שלו, והבדיקות המכוילות מחוברות. לאחר מכן, קרבוי המדיה ואספקת האוויר עם פילטר סטרילי מחוברים לפני הפעלת זרימת האוויר. הכלי מוכן במדיה סטרילית על ידי שחרור צינור הקרבוי, ולאחר מכן הפעלת תוכנית התסיסה הבסיסית. כאשר המדיה זורמת לכור הפעיל, פתח החיסון מעוקר באלכוהול לפני הוספת מיליליטר אחד של תרבית התחלה לכלי. במהלך הפעולה, דגימות תרבית נלקחות בנקודות זמן נבחרות כדי למדוד את צפיפות התאים. נתונים אלה משמשים לאחר מכן לבניית עקומת צמיחה. צמיחה אופטימלית מושגת כאשר התרבית מגיעה למצב יציב, כלומר צפיפות התאים נשארת קבועה.
כעת, לאחר שלמדת על כורי טנק מערבבים אצווה ורציף, בואו נסתכל על כמה יישומים מעשיים של טכנולוגיה זו. בישול בירה מתבצע בדרך כלל על ידי גידול שמרים במערכת כור אצווה. לכור מוסיפים סט של מרכיבים בסיסיים המורכבים ממים מטוהרים, שעורה מאלט, כשות ושמרים. השעורה המלט מגרה את תהליך התסיסה בכך שהיא פועלת כמקור מזון עשיר בסוכר לשמרים, אשר כאשר הוא נצרך מביא לייצור אלכוהול כתוצר פסולת. לאחר שהתערובת הגיעה לתכולת האלכוהול היעד שלה, או תססה למשך פרק הזמן שנקבע, ניתן לסנן, לארוז ולהשאיר אותה להתיישן כדי לגרום לגז לפני הפצת המוצר הסופי. כורים סטנדרטיים יכולים להיות מותאמים גם למטרות מיוחדות. לדוגמה, ניתן להשתמש בכורים מיוחדים כדי להגביר את כדאיות התאים של פיגומי רקמות באמצעות חלוקה משופרת של תאים וחומרים מזינים על ידי ערבוב מתמיד. במקביל, ניתן ליישם גירוי מכני על הפיגום כדי לעודד ייצור מטריצה חוץ-תאית ולכוון באופן פעיל את צמיחת התאים והתמיינותם. הפיגומים המתקבלים שיפרו את התכונות הפיזיולוגיות והמכניות, מה שהופך אותם לאטרקטיביים להשתלה.
זה עתה צפיתם בסרטון של ג'וב על כורים באצווה ובערבוב מתמשך. כעת עליך להבין כיצד פועלים ביו-ריאקטורים של מיכל אצווה וערבוב רציף, וכיצד ניתן ליישם מערכות אלה בתחום הביו-הנדסה. תודה שצפית.
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.