배치 및 연속 생물반응 장치
생물 반응기는 대량으로 유기체를 성장시키는 데 사용되므로 대상 제품의 대량 생산을 가능하게합니다. 이러한 반응기는 세포 성장에 필요한 모든 구성 요소또는 입구및 출구 포트가 있는 연속 반응기를 포함하는 배치 반응기일 수 있어 신선한 성장 매체를 추가하고 세포 폐기물을…
발효기라고도 하는 생물 반응기는 적절한 성장 환경을 제공하는 세포 배양 시스템입니다. 생물 반응기의 두 가지 유형은 일반적으로 세포 배양, 배치 및 지속적인 교반 탱크 생물 반응기에서 사용됩니다. 배치 반응기는 세포 배양에 필요한 모든 구성 요소를 포함하는 폐쇄 용기 시스템인 반면, 지속적인 교반 탱크 반응기는 부품이 적극적으로 들어오고 나가는 개방형 시스템으로 폐기물을 제거하고 영양분을 보충할 수 있습니다. 세포 성장과 세포 밀도를 최대화하기 위해 온도, 압력, 용존 산소 및 pH를 포함한 두 시스템에 대해 다중 반응기 파라미터를 제어할 수 있습니다. 이 비디오는 배치 및 연속 반응기의 기본 원칙을 소개하고 실험실에서의 사용을 자세히 설명하는 절차를 시연합니다.
생물 반응기의 가장 간단한 유형은 세포 배양 배지와 세포의 인구를 포함하는 폐쇄 시스템인 배치 반응기입니다. 세포가 성장함에 따라 영양분을 소비하고 혈관에 축적되는 폐기물을 배설합니다. 지속적인 교반 탱크 반응기는 영양분이 지속적으로 유입되고 세포와 세포 폐기물이 유입되는 개방형 시스템인 연속 교반 탱크 반응기도 사용됩니다. 이를 통해 폐기물 제거및 영양소 보충을 통해 세포 밀도를 조절할 수 있습니다. 두 시스템을 사용하기 전에 구성 요소는 일반적으로 오염을 완화하기 위해 증기를 사용하여 살균됩니다. 원자로가 완전히 조립되면 멸균 배양 매체가 주 선박에 추가된 다음 스타터 배양으로 접종됩니다. 사용 하는 동안, 혼합 및 산소 는 세포 성장에 필요한 영양소와 산소의 충분 한 금액으로 공급 되는 동질 솔루션을 유지 하기 위해 임펠러의 사용으로 제어 됩니다. 또한, 퍼머티탱크 시스템에는 온도, 용존 산소 및 pH와 같은 조건을 측정하여 성장을 위한 최적의 조건을 보장하기 위한 프로브가 장착된 경우가 많습니다. 배치 성장 하는 동안, 세포 인구는 고전적인 성장 단계를 겪습니다. 첫째, 세포는 세포가 그들의 환경에 적응할 때 천천히 성장하는 지연 단계를 입력합니다. 다음으로, 세포는 로그 단계를 입력하고 영양소가 소진되거나 독성 부산물이 임계 수준에 도달할 때까지 기하급수적 속도로 나눕니다. 결국, 성장이 느려지고 세포는 문화로부터 관심있는 제품을 수확 할 수있는 기회를 제공하는 고정 단계에 도달합니다. 제품은 세포에 의해 분비되고 배양 국물에서 직접 수집되거나 제품이 셀에 남아 있으며 세포 리시스를 통해 제거해야합니다. 수확 후, 반응기는 세척 및 살균에 의해 새로운 세포 배양 배치를 위해 준비됩니다.
연속 교반 탱크 반응기는 처음에 유사한 성장 패턴을 나타내고 정상 상태 작동시 일정한 세포 밀도에 도달합니다. 그러나, 이러한 세포 밀도는 반응기 부피로 나눈 이송 및 유출률인 희석율에 의존한다. 따라서 희석속도가 하나에 가까워지면 세포 밀도가 감소합니다. 생물 반응기 구성을 고려할 때, 세포 밀도가 제한되어 있지만 배치 반응기는 단순성과 저렴한 비용으로 자주 사용된다는 것을 명심하는 것이 좋습니다. 연속 반응기는 세포 밀도를 증가시킬 수 있습니다. 그러나, 높은 세포 밀도 집계에서 발생할 수 있습니다., 최적의 성장을 방지. 또한, 발효 기간이 길어지면 배양 오염의 위험이 증가할 수 있습니다.
일괄 배치 및 연속 반응기를 도입되었으므로 배치 반응기부터 시작하여 둘 다에 대한 절차를 살펴보겠습니다. 배치 반응기 사용하기 전에 세포 매체가 깨끗한 반응 용기에 첨가됩니다. 일단 채워지면 용기 부품은 탈이온화된 물로 헹구고 조립됩니다. 구성 요소에는 헤드 플레이트, 배양 샘플링을 위한 수확 파이프, 문화 균일성 및 미디어 산소화를 유지하기 위한 임펠러, 문화에 가스 주입을 제공하는 가스 스파거 등이 포함됩니다. 어셈블리는 선박내의 용존 산소 함량을 측정하기 위한 산소화 프로브의 설치, pH를 제어하기 위해 산 또는 기지를 추가하는 공급 라인, 보정된 pH 프로브를 설치하여 계속한다. 모든 구성 요소가 설치되면 조립된 반응기는 오토클레이브를 사용하여 멸균됩니다. 그런 다음 선박은 pH 프로브와 산소 프로브가 모두 컴퓨터에 연결된 fermenter 베이스에 설치됩니다. 또한 가스 스파거는 가스 회전계에 연결되어 있어 가스 유량을 측정합니다. 이때, 임펠러는 켜지고 가스 흐름, 온도 및 용기 교반이 원하는 파라미터가 달성될 때까지 조정됩니다. 접종 포트는 다음 알코올과 원자로 선박에 분배 스타터 배양으로 살균된다. 작동 중에 세포 배양 샘플은 셀 밀도 측정에 기초한 성장 곡선을 구성하기 위해 선택된 시점에 그려집니다. 세포 밀도가 원하는 수준에 도달하면 배양이 중지되고 세포는 일련의 여과 단계를 통해 용기에서 수확됩니다. 나머지 용기 내용물들은 표백제 또는 기타 항균 함량을 사용하여 폐기됩니다.
배치 반응기와 마찬가지로 체모스타츠라고도 하는 연속 교반 탱크 원자로는 조립 전에 탈이온화된 물로 개별 부품을 철저히 헹구어야 합니다. 일단 세척되면 교반기 조립 및 드라이브 샤프트 구성 요소가 함께 장착되어 있으며, 자동 분해 시 살균을 개선하기 위해 탈이온화 된 물로 채워진 반응기 용기. 용존 산소, pH 및 온도 프로브가 보정된 다음 이후에 설치됩니다. 선박이 완전히 조립되면 자동 클라브를 사용하여 원자로를 살균합니다. 살균 후, 용기는 온도를 제어하기 위해 열 재킷에 배치되고 보정 된 프로브가 연결됩니다. 그런 다음, 멸균 필터가 있는 미디어 카보이 및 공기 공급이 공기 흐름을 켜기 전에 연결됩니다. 선박은 카보이 튜브를 분리한 다음 기본 발효기 프로그램을 실행하여 멸균 매체로 준비됩니다. 배지가 활성 반응기로 유입됨에 따라 접종 포트는 1밀리리터의 스타터 배양을 용기에 첨가하기 전에 알코올로 살균됩니다. 작업 하는 동안, 배양 샘플 세포 밀도 측정 하기 위해 선택 된 시간 지점에서 촬영. 그런 다음 이 데이터는 성장 곡선을 구성하는 데 사용됩니다. 배양이 정상 상태에 도달할 때 최적의 성장이 달성되며, 이는 세포 밀도가 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다.
이제 배치 및 연속 교반 탱크 반응기에 대해 배웠으니 이 기술의 실용적인 응용 을 살펴보겠습니다. 맥주 양조는 일반적으로 배치 반응기 시스템에서 효모를 성장시킴으로써 수행됩니다. 정제수, 맥아 보리, 홉, 효모로 구성된 기본 성분 세트가 반응기에 추가됩니다. 맥아 보리는 효모의 설탕이 풍부한 식품 공급원으로 작용하여 발효 과정을 자극하며, 섭취시 알코올을 폐기물로 생산합니다. 혼합물이 표적 알코올 함량에 도달하면, 또는 규정된 시간 동안 발효되면, 최종 제품이 분배되기 전에 탄소배출을 유도하기 위해 여과, 포장 및 나이까지 방치될 수 있다. 표준 원자로는 또한 특수한 목적을 위해 사용자 정의 할 수 있습니다. 예를 들어, 특수 반응기는 지속적인 혼합에 의한 향상된 세포 및 영양 분배를 통해 조직 스캐폴드의 세포 생존가능성을 높이는 데 사용될 수 있다. 동시에, 기계적 자극은 세포 외 매트릭스 생산을 장려하고 적극적으로 세포 성장및 분화를 직접하기 위해 비계에 적용 될 수있다. 결과 발판은 생리학적 및 기계적 특성을 향상시켜 이식에 호소합니다.
배치와 지속적인 교반 원자로에 조브의 비디오를 본 적이 있습니다. 이제 배치 및 연속 교반 탱크 생물 반응기의 작동 방법과 이러한 시스템을 생물 공학 분야에서 어떻게 적용할 수 있는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
발효기라고도 하는 생물반응기는 적절한 성장 환경을 제공하는 세포 배양 시스템입니다. 두 가지 유형의 생물 반응기는 세포 배양, 배치 및 연속 교반 탱크 생물 반응기에 일반적으로 사용됩니다. 배치 반응기는 세포 배양에 필요한 모든 구성 요소를 포함하는 폐쇄형 용기 시스템인 반면, 연속 교반 탱크 반응기는 구성 요소가 활발하게 유입 및 유출되는 개방형 시스템으로, 폐기물을 제거하고 영양분을 보충할 수 있습니다. 세포 성장과 세포 밀도를 최대화하기 위해 온도, 압력, 용존 산소 및 pH를 포함한 여러 반응기 매개변수를 두 시스템 모두에 대해 제어할 수 있습니다. 이 비디오는 배치 및 연속 반응기의 기본 원리를 소개하고 실험실에서의 사용을 자세히 설명하는 절차를 보여줍니다.
가장 간단한 유형의 생물 반응기는 세포 배양 배지와 세포 집단을 포함하는 폐쇄 시스템인 배치 반응기입니다. 세포는 성장하면서 영양분을 섭취하고 배설물을 배출하며, 배설물은 혈관에 축적됩니다. 연속 교반 탱크 반응기도 사용되는데, 이는 영양분이 지속적으로 유입되고 세포와 세포 폐기물이 유출되는 개방형 시스템입니다. 이를 통해 노폐물을 제거하고 영양분을 보충하여 세포 밀도를 제어할 수 있습니다. 두 시스템 중 하나를 사용하기 전에 구성 요소는 오염을 완화하기 위해 일반적으로 증기를 사용하여 멸균됩니다. 반응기가 완전히 조립되면 멸균 배양 배지를 주 용기에 추가한 다음 스타터 배양물을 접종합니다. 사용하는 동안 임펠러를 사용하여 혼합 및 산소화를 제어하여 세포에 성장에 필요한 충분한 양의 영양소와 산소가 공급되는 균질한 용액을 유지합니다. 또한 발효기 탱크 시스템에는 최적의 성장 조건을 보장하기 위해 온도, 용존 산소 및 pH와 같은 조건을 측정하는 프로브가 장착되는 경우가 많습니다. 배치 성장 동안 세포 집단은 고전적인 성장 단계를 거칩니다. 첫째, 세포는 지연 단계(lag phase)에 들어가는데, 이 단계에서는 세포가 환경에 적응하면서 천천히 성장합니다. 다음으로, 세포는 로그 단계로 들어가 영양소가 고갈되거나 독성 부산물이 임계 수준에 도달할 때까지 기하급수적인 속도로 분열합니다. 결국, 성장이 느려지고 세포가 고정상에 도달하여 배양물에서 관심 산물을 수확할 수 있는 기회를 제공합니다. 생성물은 세포에 의해 분비되어 배양 배지에서 직접 수집되거나, 생성물이 세포에 남아 세포 용해를 통해 제거되어야 합니다. 수확 후, 반응기는 세척 및 멸균을 통해 새로운 세포 배양 배치를 준비합니다.
연속 교반 탱크 반응기는 초기에 유사한 성장 패턴을 보이며 정상 상태 작동에서 일정한 셀 밀도에 도달합니다. 그러나 이 세포 밀도는 희석 속도에 따라 달라지며, 이는 공급 및 폐수 속도를 반응기 부피로 나눈 값입니다. 따라서 희석 속도가 1에 가까워지면 세포 밀도가 감소합니다. 바이오리액터 구성을 고려할 때, 배치 반응기는 세포 밀도가 제한적이지만 단순하고 비용이 저렴하기 때문에 자주 사용된다는 점을 명심하는 것이 도움이 됩니다. 연속 반응기는 세포 밀도를 높일 수 있습니다. 그러나 높은 세포 밀도에서는 응집이 발생하여 최적의 성장을 방해할 수 있습니다. 또한 발효 기간이 길어지면 배양 오염의 위험이 증가할 수 있습니다.
이제 배치 반응기와 연속 반응기를 소개했으므로 배치 반응기부터 시작하여 두 가지 모두에 대한 절차를 살펴보겠습니다. 배치 반응기를 사용하기 전에 세포 배지를 깨끗한 반응 용기에 추가합니다. 채워지면 용기 구성 요소를 탈이온수로 헹구고 조립합니다. 구성 요소에는 헤드 플레이트, 배양 샘플링을 위한 수확 파이프, 배양 균일성 및 매체 산소화를 유지하기 위한 임펠러, 배양에 가스 주입을 제공하기 위한 가스 스파저가 포함됩니다. 조립은 용기의 용존 산소 함량을 측정하기 위한 산소화 프로브, pH를 제어하기 위해 산 또는 염기를 추가하기 위한 공급 라인, 보정된 pH 프로브의 설치로 계속됩니다. 모든 구성 요소가 설치되면 조립된 반응기는 오토클레이브를 사용하여 멸균됩니다. 그런 다음 용기를 발효기 바닥에 설치하고 pH 프로브와 산소 프로브가 모두 컴퓨터에 연결합니다. 또한 가스 스파저는 가스 유량을 측정하는 가스 회전계에 연결됩니다. 이때 임펠러가 켜지고 원하는 매개변수에 도달할 때까지 가스 흐름, 온도 및 용기 교반이 조정됩니다. 그런 다음 접종 포트를 알코올로 멸균하고 스타터 배양물을 반응기 용기에 분배합니다. 작동 중에는 세포 밀도 측정을 기반으로 성장 곡선을 구성하기 위해 선택한 시점에서 세포 배양 샘플을 추출합니다. 세포 밀도가 원하는 수준에 도달하면 배양이 중단되고 일련의 여과 단계를 통해 용기에서 세포를 수확합니다. 나머지 용기 내용물은 표백제 또는 기타 항균 내용물을 사용하여 폐기합니다.
배치 반응기와 유사하게, 화학 반응기라고도 하는 연속 교반 탱크 반응기는 조립 전에 개별 구성 요소를 탈이온수로 철저히 헹궈야 합니다. 세척이 완료되면 교반기 어셈블리와 구동축 구성 요소가 함께 장착되고 반응기 용기에 탈이온수가 채워져 오토클레이브 중 멸균을 개선합니다. 용존 산소, pH 및 온도 프로브를 교정한 다음 설치합니다. 용기가 완전히 조립되면 반응기는 오토클레이브를 사용하여 멸균됩니다. 멸균 후 용기를 열 재킷에 넣어 온도를 제어하고 보정된 프로브를 연결합니다. 그런 다음 공기 흐름을 켜기 전에 멸균 필터가 있는 미디어 카보이와 공기 공급 장치를 연결합니다. 용기는 carboy 튜빙을 언클램핑하여 멸균 매체로 프라이밍한 다음 기본 발효기 프로그램을 실행합니다. 배지가 활성 반응기로 유입되면 접종 포트는 1ml의 스타터 배양액이 용기에 추가되기 전에 알코올로 멸균됩니다. 작동 중에는 세포 밀도를 측정하기 위해 선택한 시점에서 배양 샘플을 채취합니다. 그런 다음 이 데이터는 성장 곡선을 구성하는 데 사용됩니다. 배양액이 안정된 상태에 도달할 때 최적의 성장이 이루어지며, 이는 세포 밀도가 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다.
이제 배치 및 연속 교반 탱크 반응기에 대해 배웠으므로 이 기술의 몇 가지 실제 응용 분야를 살펴보겠습니다. 맥주 양조는 일반적으로 배치 반응기 시스템에서 효모를 성장시켜 수행됩니다. 정제수, 맥아 보리, 홉 및 효모로 구성된 기본 성분 세트가 반응기에 추가됩니다. 맥아 보리는 효모의 설탕이 풍부한 식품 공급원으로 작용하여 발효 과정을 자극하며, 이를 섭취하면 알코올이 폐기물로 생성됩니다. 혼합물이 목표 알코올 함량에 도달하거나 규정된 시간 동안 발효되면 최종 제품이 분배되기 전에 여과, 포장 및 숙성시켜 탄산화를 유도할 수 있습니다. 표준 반응기는 특수 목적에 맞게 사용자 정의할 수도 있습니다. 예를 들어, 특수 반응기는 지속적인 혼합을 통해 향상된 세포 및 영양소 분포를 통해 조직 골격의 세포 생존율을 높이는 데 사용할 수 있습니다. 동시에 기계적 자극을 골격에 가하여 세포 외 기질 생성을 촉진하고 세포 성장과 분화를 적극적으로 지시할 수 있습니다. 그 결과 생성된 골격은 생리학적, 기계적 특성이 향상되어 이식에 매력적입니다.
배치 및 연속 교반 반응기에 대한 Jove의 비디오를 시청하셨습니다. 이제 배치 및 연속 교반 탱크 바이오리액터가 어떻게 작동하는지, 그리고 이러한 시스템을 생명공학 분야에 어떻게 적용할 수 있는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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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.