バッチと連続バイオリアクター
バイオリアクターは、大ボリューム、対象製品の大量生産が可能で生物の成長に使用されます。これらの原子炉は、すべての細胞の成長に必要なコンポーネントを含む、バッチ炉でも入口と出口ポートが新鮮な成長媒体の追加、セルの廃棄物の除去を可能にする継続的な原子炉であってもかまいません。
このビデオでは、バッチと連…
として知られている発酵バイオリアクターは、適当な生育環境を提供する細胞培養システムです。バイオリアクターの 2 種類は、細胞培養、バッチ、連続攪拌槽バイオリアクターで使用されます。バッチ炉は、すべての細胞培養のために必要なコンポーネントを含む密閉容器システムです。連続攪拌槽型反応器に対しオープン システム、コンポーネントが積極的に流れている、廃棄物の除去と栄養素の補給を実現します。細胞増殖と細胞密度を最大にするには、複数の原子炉パラメーターは、両方のシステムは、温度、圧力などの制御することができます、溶存酸素と pH。このビデオはバッチ、連続炉の背後にある基本的な原理を紹介し、研究室での使用を詳述した手順をデモンストレーションします。
最も単純なバイオリアクターですクローズド システム含んでいる細胞培養媒体と細胞の人口であるバッチ炉です。細胞が増える、彼らは栄養素を消費し、排出する廃棄物は、船舶内に蓄積します。連続攪拌槽の原子炉も、栄養素の継続的に流れ、細胞と細胞を無駄に流出オープン システムが使用されます。これにより、廃棄物の除去および栄養素の補給で細胞密度のコントロール。どちらのシステムを使用する前に通常汚染を軽減するために、蒸気を使用して、コンポーネントは滅菌されています。原子炉が完全に組み立てられている滅菌培地は主な血管に追加され、その後スターター培養の接種します。使用中に混合および酸素は細胞が栄養素や成長に必要な酸素の十分な量で提供されている同種のソリューションを維持するために羽根車を使って制御されます。また、発酵タンク システムは温度などの条件を測定するためのプローブが多い、溶存酸素と pH の成長のための最適な条件を確保します。バッチ成長中のセル人口は古典的な成長段階を経る。最初に、細胞は、ゆっくりと細胞成長の環境に適応したラグの段階に入る。次に、細胞はログ相を入力し、栄養素がなくなったか有毒な副産物が重要なレベルに到達するまで指数関数的速度で除算します。最終的には、成長が鈍化し、電池が、文化からの興味の製品を収穫する機会を提供する静止した段階に達する。製品はいずれかの細胞によって分泌され、培養液から直接収集または製品セルは、セル換散によって削除する必要があります。収穫後、原子炉はクリーニングおよび滅菌によって新しい細胞培養のバッチのために準備されます。連続攪拌タンク炉は当初、似たような成長パターンを展示し、定常動作時一定の細胞密度に達する。しかし、この細胞密度は、フィードと原子炉体積で割った排水率希釈率に依存。したがって、希釈率に近づく 1 つと、細胞密度が低下します。バイオリアクターの構成を検討するときそれは有用バッチ炉は簡易性のため使用多くの場合心に留めて、低コスト、細胞密度は限られています。連続炉、細胞密度を増やすことができます。ただし、高い細胞密度に最適な成長を防止する集計は発生することができます。さらに、長時間発酵の文化汚染の危険性を増やすことができます。
今バッチ、連続炉を導入、調べてみましょうプロシージャ、バッチ炉で始まります。バッチ炉使用前にきれいな反応容器携帯メディアが追加されます。いっぱい、船舶部品、脱イオン水で洗浄、組み立ています。コンポーネントには、ヘッド プレート、サンプリング、文化にガス注入を提供するガス ガスモードとメディア酸素文化の均一性を維持するため羽根車文化の収穫パイプが含まれます。アセンブリは、酸または基盤の pH を制御する追加のライン フィード、容器内溶存酸素量を測定する酸素プローブと校正 pH プローブのインストールを続行します。すべてのコンポーネントをインストールする場合、組み立てられたリアクターはオートクレーブで滅菌です。船、pH プローブと酸素プローブの両方がコンピューターに接続されているベース、発酵槽にインストールされます。さらに、ガスのほとんどは、ガス浮子式流量計、ガス流量を測定するに接続されます。この時、羽根車がオン、気流、温度、および容器の攪拌は、目的のパラメーターが達成されるまでが調整されます。接種ポートはアルコールで殺菌し、原子炉容器にスターター文化が分配されます。操作中に細胞培養の細胞密度測定に基づく成長曲線を構築する選択した時点で描画されます。細胞密度目的のレベルに達すると、文化が停止し、細胞は一連の濾過手順によって容器から収穫されます。漂白剤や他の抗微生物の内容を使用して残りの容器内容は破棄されます。
バッチ炉、連続と同様攪拌槽原子炉、呼ばれる chemostats、アセンブリ前に脱イオン水で徹底的に洗浄する個々 のコンポーネントが必要です。攪拌アセンブリとドライブ シャフト コンポーネントが嵌合、洗浄後、オートクレーブで滅菌を改善するために脱イオン水で原子炉容器が塗りつぶされます。溶存酸素、pH、温度プローブは、校正、次にその後インストールします。完全に組み立てられた容器、原子炉は、オートクレーブで滅菌です。滅菌後、ヒート ジャケットの温度を制御するために船を配置し、キャリブレーション プローブが接続されています。その後、滅菌フィルター メディアのカーボイと空気の供給は空気の流れを入れる前に接続されます。船はアンクランプ カーボイ チューブと発酵槽に基本的なプログラムを実行して、滅菌メディアで準備万端します。メディアのアクティブな原子炉に流れ、として、容器にスターター文化の 1 つのミリリットルを追加する前に接種ポートはアルコールで殺菌します。操作中に文化が採取選択した時点で細胞密度を測定します。このデータを成長曲線を構築する使用します。文化意味細胞密度が一定の定常状態に達したときに、最適な成長を達成します。
今、あなたはバッチ及び連続攪拌槽原子炉について学んだ、この技術のいくつかの実用的なアプリケーションを見てみましょう。ビール醸造は、通常バッチ炉システムで酵母を成長することにより行います。精製水、大麦麦芽、ホップと酵母から成る基本的な食材のセットは、原子炉に追加されます。大麦麦芽、酵母、砂糖豊富な食料源として発酵プロセスを刺激し、消費されると、廃棄物としてアルコールの生産の結果します。混合物はその対象アルコール度数に達するか、時間は所定量の発酵のフィルター、パッケージ、そして最終製品を配布する前に、中性化を誘導するために年齢に残って実行します。標準的な炉は特殊な目的のカスタマイズもできます。たとえば、定数混合することによって高められた細胞と栄養分布を介して組織足場の細胞生存率を高めるため特殊な原子炉を使用できます。同時に、機械的刺激は、細胞外マトリックスの生産を奨励し、細胞の成長と分化を積極的に直接足場に適用できます。結果として得られる足場は、注入の魅力的な生理学的・機械的特性を改善しています。
ゼウスのバッチ及び連続攪拌原子炉に関するビデオを見てきただけ。今バッチと連続攪拌槽バイオリアクターのしくみやバイオ エンジニア リングの分野でこれらのシステムを適用する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
バイオリアクターは、発酵槽とも呼ばれ、適切な成長環境を提供する細胞培養システムです。細胞培養では、バッチ式および連続攪拌タンク式バイオリアクターの2種類のバイオリアクターが一般的に使用されています。バッチリアクターは、細胞培養に必要なすべての成分を含む密閉容器システムであるのに対し、連続攪拌タンクリアクターは、成分が活発に流入および流出する開放システムであり、廃棄物の除去と栄養素の補充を可能にします。細胞増殖と細胞密度を最大化するために、温度、圧力、溶存酸素、pHなど、複数のリアクターパラメーターを両方のシステムで制御できます。このビデオでは、バッチ式および連続式リアクターの基本原理を紹介し、ラボでの使用手順を詳しく説明します。
最も単純なタイプのバイオリアクターはバッチリアクターで、細胞培養培地と細胞集団を含む閉鎖系です。細胞が成長するにつれて、細胞は栄養素を消費し、老廃物を排出し、それが血管に蓄積します。また、連続撹拌槽リアクターも用いられますが、これは栄養塩が連続的に流入し、細胞や細胞廃棄物が流出する開放系です。これにより、老廃物の除去と栄養素の補充による細胞密度の制御が可能になります。どちらのシステムも使用する前に、コンタミネーションを軽減するために、通常は蒸気を使用してコンポーネントを滅菌します。リアクターが完全に組み立てられたら、無菌培地をメイン容器に加え、スターター培養液を接種します。使用中、インペラを使用して混合と酸素化を制御し、細胞に成長に必要な十分な量の栄養素と酸素が供給される均質な溶液を維持します。さらに、発酵槽タンクシステムには、温度、溶存酸素、pHなどの条件を測定するためのプローブが装備されていることが多く、成長に最適な条件を確保します。バッチ増殖中、細胞集団は古典的な増殖期を経ます。まず、細胞はラグフェーズに入り、細胞は環境に適応しながらゆっくりと成長します。次に、細胞は対数期に入り、栄養素が使い果たされるか、有毒な副産物が臨界レベルに達するまで指数関数的に分裂します。最終的に、成長は遅くなり、細胞は静止期に達し、培養物から目的の製品を収穫する機会が得られます。生成物は、細胞によって分泌され、培養ブロスから直接収集されるか、または生成物が細胞内に残り、細胞溶解によって除去する必要があります。回収後、リアクターは洗浄と滅菌により新しい細胞培養バッチ用に準備されます。
連続攪拌タンクリアクターは、最初は同様の成長パターンを示し、定常運転で一定の細胞密度に達します。ただし、このセル密度は、供給速度と廃液速度を反応器の容量で割った希釈速度に依存します。したがって、希釈速度が1に近づくと、細胞密度は減少します。バイオリアクターの構成を検討する際には、細胞密度は限られていますが、バッチリアクターはその単純さと低コストのためによく使用されることを覚えておくと便利です。連続反応器は細胞密度を高めることができます。しかし、細胞密度が高いと凝集が起こり、最適な増殖が妨げられる可能性があります。さらに、発酵期間が長くなると、培養物汚染のリスクが高まる可能性があります。
バッチリアクターと連続リアクターを紹介したので、バッチリアクターから始めて、両方の手順を検討してみましょう。バッチリアクターを使用する前に、細胞培地をクリーンな反応容器に添加します。充填された容器の部品は、脱イオン水ですすがれ、組み立てられます。コンポーネントには、ヘッドプレート、培養サンプリング用の収穫パイプ、培養の均一性と培地の酸素化を維持するためのインペラ、および培養物にガス注入を提供するためのガススパージャーが含まれます。組み立ては、容器内の溶存酸素含有量を測定するための酸素化プローブ、pHを制御するための酸または塩基を添加するための供給ライン、および校正されたpHプローブの設置に続きます。すべてのコンポーネントが取り付けられると、組み立てられた反応器はオートクレーブを使用して滅菌されます。次に、容器を発酵槽ベースに設置し、pHプローブと酸素プローブの両方がコンピューターに接続されます。さらに、ガススパージャーはガス流量を測定するガス回転計に接続されています。このとき、インペラがオンになり、ガスの流れ、温度、および容器の攪拌が調整され、目的のパラメーターが達成されます。次に、接種ポートをアルコールで滅菌し、スターター培養物を反応容器に分注します。操作中、細胞培養サンプルは選択された時点で採取され、細胞密度測定に基づいて成長曲線を構築します。細胞密度が所望のレベルに達すると、培養は停止され、細胞は一連のろ過ステップを通じて容器から回収されます。残りの容器内容物は、漂白剤またはその他の抗菌内容物を使用して廃棄されます。
バッチリアクターと同様に、連続攪拌タンクリアクターは、ケモスタットと呼ばれることもあり、組み立てる前に個々のコンポーネントを脱イオン水で十分にすすぐ必要があります。洗浄後、スターラーアセンブリとドライブシャフトコンポーネントを一緒に取り付け、反応容器を脱イオン水で満たして、オートクレーブ中の滅菌を改善します。溶存酸素、pH、および温度プローブを校正し、その後取り付けます。容器が完全に組み立てられた状態で、反応器はオートクレーブを使用して滅菌されます。滅菌後、容器をヒートジャケットに入れて温度を制御し、校正されたプローブを接続します。次に、メディアカーボーイと滅菌フィルター付きの空気供給を接続してから、空気の流れをオンにします。容器は、カーボーイチューブのクランプを解除し、基本的な発酵槽プログラムを実行することにより、滅菌媒体でプライミングされます。培地が活性反応器に流入すると、接種ポートはアルコールで滅菌され、1ミリリットルのスターター培養物が容器に追加されます。操作中、選択した時点で培養サンプルを採取し、細胞密度を測定します。次に、このデータを使用して成長曲線を構築します。最適な増殖は、培養物が定常状態に達したとき、つまり細胞密度が一定のままであるときに達成されます。
バッチ式および連続攪拌式タンク反応器について学習したところで、この技術の実用化について見ていきましょう。ビール醸造は通常、バッチ反応器システムで酵母を成長させることによって行われます。精製水、大麦麦芽、ホップ、酵母からなる基本成分のセットをリアクターに加えます。大麦麦芽は、酵母の糖分が豊富な食物源として機能することにより発酵プロセスを刺激し、消費されると、老廃物としてアルコールが生成されます。混合物が目標アルコール含有量に達した場合、または規定の時間発酵したら、ろ過して包装し、熟成させて炭酸化を誘発してから最終製品を配布することができます。標準反応器は、特殊な目的に合わせてカスタマイズすることもできます。例えば、特殊なリアクターを使用して、一定の混合による細胞と栄養素の分布を強化することにより、組織足場の細胞生存率を高めることができます。同時に、足場に機械的刺激を加えることで、細胞外マトリックスの産生を促進し、細胞の成長と分化を積極的に誘導することができます。結果として得られる足場は、生理学的および機械的特性を改善し、移植に魅力的です。
Joveのバッチおよび連続攪拌反応器に関するビデオをご覧になりました。これで、バッチ式および連続攪拌タンク式バイオリアクターがどのように機能し、これらのシステムをバイオエンジニアリング分野でどのように適用できるかを理解できたと思います。ご覧いただきありがとうございます。
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.