Batch- en continu-bioreactoren
Bioreactoren, ook bekend als fermentoren, zijn celcultuursystemen die geschikte groeiomgevingen bieden. Twee typen bioreactoren worden vaak gebruikt in celcultuur, batch en continu geroerde tankbioreactoren. Een batchreactor is een gesloten vatsysteem dat alle componenten bevat die nodig zijn voor celcultuur, terwijl een continu geroerde tankreactor een open systeem is waar componenten actief in en uit stromen, waardoor het mogelijk wordt om afval te verwijderen en voedingsstoffen aan te vullen. Om celgroei en celdichtheid te maximaliseren, kunnen meerdere reactorparameters worden gecontroleerd voor beide systemen, inclusief temperatuur, druk, opgelost zuurstof en pH. Deze video introduceert de fundamentele principes achter batch- en continureactoren en demonstreert een procedure die hun gebruik in het laboratorium beschrijft.
Het eenvoudigste type bioreactor is de batchreactor, een gesloten systeem dat celcultuurmedia en een celpopulatie bevat. Terwijl de cellen groeien, consumeren ze de voedingsstoffen en scheiden ze afval af, dat zich in het vat ophoopt. Ook worden continu geroerde tankreactoren gebruikt, die open systemen zijn waar voedingsstoffen continu binnenstromen en cellen en celafval eruit stromen. Dit maakt het mogelijk om de celdichtheid te controleren via het verwijderen van afval en het aanvullen van voedingsstoffen. Voor gebruik van elk van deze systemen worden de componenten gesteriliseerd, meestal met behulp van stoom, om besmetting te voorkomen. Wanneer de reactor volledig is geassembleerd, wordt steriele cultuurmedia toegevoegd aan het hoofdvat en vervolgens geïnoculeerd met een startercultuur. Tijdens gebruik worden menging en oxygenatie gecontroleerd met behulp van roerslepels om een homogene oplossing te behouden waarin cellen worden voorzien van voldoende hoeveelheden voedingsstoffen en zuurstof die nodig zijn voor groei. Bovendien zijn fermentortanksystemen vaak uitgerust met sondes om omstandigheden zoals temperatuur, opgelost zuurstof en pH te meten om optimale omstandigheden voor groei te garanderen. Tijdens batchgroei ondergaat de celpopulatie klassieke groeifasen. Eerst gaan de cellen de latentiefase in, waarin cellen langzaam groeien terwijl ze zich aanpassen aan hun omgeving. Vervolgens gaan de cellen de logfase in en delen zich exponentieel tot de voedingsstoffen zijn uitgeput of giftige bijproducten een kritisch niveau bereiken. Uiteindelijk vertraagt de groei en bereiken de cellen de stationaire fase, wat een kans biedt om het gewenste product uit de cultuur te oogsten. Het product wordt hetzij uitgescheiden door de cellen en direct uit de cultuurvloeistof verzameld, hetzij blijft het product in de cel en moet via cellyse worden verwijderd. Na het oogsten wordt de reactor voorbereid voor een nieuwe celcultuurbatch door schoonmaken en steriliseren.
Continu geroerde tankreactoren vertonen aanvankelijk vergelijkbare groeipatronen en bereiken een constante celdichtheid bij stabiele werking. Deze celdichtheid is echter afhankelijk van de verdunningssnelheid, die de toevoer- en afvoersnelheid gedeeld door het reactorvolume is. Dus naarmate de verdunningssnelheid zich tot één nadert, neemt de celdichtheid af. Bij het overwegen van bioreactorconfiguraties is het handig om in gedachten te houden dat batchreactoren vaak worden gebruikt vanwege hun eenvoud en lage kosten, hoewel de celdichtheid beperkt is. Continue reactoren kunnen de celdichtheid verhogen. Echter, bij hoge celdichtheden kan aggregatie optreden, wat optimale groei verhindert. Bovendien kunnen langere tijdsperioden van fermentatie het risico op cultuurbesmetting verhogen.
Nu we batch- en continue reactoren hebben geïntroduceerd, laten we een procedure voor beide bekijken, beginnend met de batchreactor. Voor gebruik van de batchreactor wordt celmedia toegevoegd aan een schone reactievat. Zodra het gevuld is, worden de vatcomponenten gespoeld met gedeïoniseerd water en geassembleerd. De componenten omvatten de hoofdplak, de oogstpijp voor cultuurbemonstering, een roerslepel voor het handhaven van cultuuruniformiteit en media-oxygenatie, en een gassparger om gasinfusie in de cultuur te bieden. De assemblage gaat verder met de installatie van een oxygenatiesonde om de inhoud van opgelost zuurstof in het vat te meten, toevoerleidingen voor het toevoegen van zuur of base om de pH te regelen, en een gekalibreerd pH-sonde. Wanneer alle componenten zijn geïnstalleerd, wordt de geassembleerde reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Het vat wordt vervolgens geïnstalleerd in de fermentorbasis, waar zowel de pH-sonde als de zuurstofsonde op de computer zijn aangesloten. Bovendien is de gassparger verbonden met een gasrotameter, die de gasstroomsnelheid meet. Op dit moment wordt de roerslepel ingeschakeld en worden de gasstroom, temperatuur en vatverroering aangepast totdat de gewenste parameters zijn bereikt. De inoculatiepoort wordt vervolgens gesteriliseerd met alcohol en de startercultuur wordt in het reactorvat gedispenseerd. Tijdens de werking worden celcultuurmonsters genomen op geselecteerde tijdstippen om een groeifase te construeren op basis van celdichtheidsmetingen. Wanneer de celdichtheid het gewenste niveau bereikt, wordt de cultuur gestopt en worden de cellen uit het vat gehaald via een reeks filtratiestappen. De resterende inhoud van het vat wordt verwijderd met behulp van bleekmiddel of andere antimicrobiële inhoud.
Net als batchreactoren vereisen continue geroerde tankreactoren, soms chemostaten genoemd, dat hun afzonderlijke componenten grondig worden gespoeld met gedeïoniseerd water voor montage. Eenmaal gereinigd, worden de roerdersamenstelling en de aandrijfascomponenten in elkaar gezet en wordt het reactorvat gevuld met gedeïoniseerd water om de sterilisatie tijdens autoclaving te verbeteren. Opgelost zuurstof-, pH- en temperatuursondes worden gekalibreerd en vervolgens geïnstalleerd. Met het volledig geassembleerde vat wordt de reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Na sterilisatie wordt het vat in een warmtemantel geplaatst om de temperatuur te regelen en worden de gekalibreerde sondes aangesloten. Vervolgens worden de mediavat en luchttoevoer met een steriele filter aangesloten voordat de luchtstroom wordt ingeschakeld. Het vat wordt geprimed met steriele media door de vatbuis los
Bioreactoren worden gebruikt om organismen in grote volumes te kweken, waardoor de productie van grote hoeveelheden van het doelproduct mogelijk wordt…
Bioreactoren, ook bekend als fermentoren, zijn celcultuursystemen die geschikte groeiomgevingen bieden. Twee typen bioreactoren worden vaak gebruikt in celcultuur, batch en continu geroerde tankbioreactoren. Een batchreactor is een gesloten vatsysteem dat alle componenten bevat die nodig zijn voor celcultuur, terwijl een continu geroerde tankreactor een open systeem is waar componenten actief in en uit stromen, waardoor het mogelijk wordt om afval te verwijderen en voedingsstoffen aan te vullen. Om celgroei en celdichtheid te maximaliseren, kunnen meerdere reactorparameters worden gecontroleerd voor beide systemen, inclusief temperatuur, druk, opgelost zuurstof en pH. Deze video introduceert de fundamentele principes achter batch- en continureactoren en demonstreert een procedure die hun gebruik in het laboratorium beschrijft.
Het eenvoudigste type bioreactor is de batchreactor, een gesloten systeem dat celcultuurmedia en een celpopulatie bevat. Terwijl de cellen groeien, consumeren ze de voedingsstoffen en scheiden ze afval af, dat zich in het vat ophoopt. Ook worden continu geroerde tankreactoren gebruikt, die open systemen zijn waar voedingsstoffen continu binnenstromen en cellen en celafval eruit stromen. Dit maakt het mogelijk om de celdichtheid te controleren via het verwijderen van afval en het aanvullen van voedingsstoffen. Voor gebruik van elk van deze systemen worden de componenten gesteriliseerd, meestal met behulp van stoom, om besmetting te voorkomen. Wanneer de reactor volledig is geassembleerd, wordt steriele cultuurmedia toegevoegd aan het hoofdvat en vervolgens geïnoculeerd met een startercultuur. Tijdens gebruik worden menging en oxygenatie gecontroleerd met behulp van roerslepels om een homogene oplossing te behouden waarin cellen worden voorzien van voldoende hoeveelheden voedingsstoffen en zuurstof die nodig zijn voor groei. Bovendien zijn fermentortanksystemen vaak uitgerust met sondes om omstandigheden zoals temperatuur, opgelost zuurstof en pH te meten om optimale omstandigheden voor groei te garanderen. Tijdens batchgroei ondergaat de celpopulatie klassieke groeifasen. Eerst gaan de cellen de latentiefase in, waarin cellen langzaam groeien terwijl ze zich aanpassen aan hun omgeving. Vervolgens gaan de cellen de logfase in en delen zich exponentieel tot de voedingsstoffen zijn uitgeput of giftige bijproducten een kritisch niveau bereiken. Uiteindelijk vertraagt de groei en bereiken de cellen de stationaire fase, wat een kans biedt om het gewenste product uit de cultuur te oogsten. Het product wordt hetzij uitgescheiden door de cellen en direct uit de cultuurvloeistof verzameld, hetzij blijft het product in de cel en moet via cellyse worden verwijderd. Na het oogsten wordt de reactor voorbereid voor een nieuwe celcultuurbatch door schoonmaken en steriliseren.
Continu geroerde tankreactoren vertonen aanvankelijk vergelijkbare groeipatronen en bereiken een constante celdichtheid bij stabiele werking. Deze celdichtheid is echter afhankelijk van de verdunningssnelheid, die de toevoer- en afvoersnelheid gedeeld door het reactorvolume is. Dus naarmate de verdunningssnelheid zich tot één nadert, neemt de celdichtheid af. Bij het overwegen van bioreactorconfiguraties is het handig om in gedachten te houden dat batchreactoren vaak worden gebruikt vanwege hun eenvoud en lage kosten, hoewel de celdichtheid beperkt is. Continue reactoren kunnen de celdichtheid verhogen. Echter, bij hoge celdichtheden kan aggregatie optreden, wat optimale groei verhindert. Bovendien kunnen langere tijdsperioden van fermentatie het risico op cultuurbesmetting verhogen.
Nu we batch- en continue reactoren hebben geïntroduceerd, laten we een procedure voor beide bekijken, beginnend met de batchreactor. Voor gebruik van de batchreactor wordt celmedia toegevoegd aan een schone reactievat. Zodra het gevuld is, worden de vatcomponenten gespoeld met gedeïoniseerd water en geassembleerd. De componenten omvatten de hoofdplak, de oogstpijp voor cultuurbemonstering, een roerslepel voor het handhaven van cultuuruniformiteit en media-oxygenatie, en een gassparger om gasinfusie in de cultuur te bieden. De assemblage gaat verder met de installatie van een oxygenatiesonde om de inhoud van opgelost zuurstof in het vat te meten, toevoerleidingen voor het toevoegen van zuur of base om de pH te regelen, en een gekalibreerd pH-sonde. Wanneer alle componenten zijn geïnstalleerd, wordt de geassembleerde reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Het vat wordt vervolgens geïnstalleerd in de fermentorbasis, waar zowel de pH-sonde als de zuurstofsonde op de computer zijn aangesloten. Bovendien is de gassparger verbonden met een gasrotameter, die de gasstroomsnelheid meet. Op dit moment wordt de roerslepel ingeschakeld en worden de gasstroom, temperatuur en vatverroering aangepast totdat de gewenste parameters zijn bereikt. De inoculatiepoort wordt vervolgens gesteriliseerd met alcohol en de startercultuur wordt in het reactorvat gedispenseerd. Tijdens de werking worden celcultuurmonsters genomen op geselecteerde tijdstippen om een groeifase te construeren op basis van celdichtheidsmetingen. Wanneer de celdichtheid het gewenste niveau bereikt, wordt de cultuur gestopt en worden de cellen uit het vat gehaald via een reeks filtratiestappen. De resterende inhoud van het vat wordt verwijderd met behulp van bleekmiddel of andere antimicrobiële inhoud.
Net als batchreactoren vereisen continue geroerde tankreactoren, soms chemostaten genoemd, dat hun afzonderlijke componenten grondig worden gespoeld met gedeïoniseerd water voor montage. Eenmaal gereinigd, worden de roerdersamenstelling en de aandrijfascomponenten in elkaar gezet en wordt het reactorvat gevuld met gedeïoniseerd water om de sterilisatie tijdens autoclaving te verbeteren. Opgelost zuurstof-, pH- en temperatuursondes worden gekalibreerd en vervolgens geïnstalleerd. Met het volledig geassembleerde vat wordt de reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Na sterilisatie wordt het vat in een warmtemantel geplaatst om de temperatuur te regelen en worden de gekalibreerde sondes aangesloten. Vervolgens worden de mediavat en luchttoevoer met een steriele filter aangesloten voordat de luchtstroom wordt ingeschakeld. Het vat wordt geprimed met steriele media door de vatbuis los
Bioreactoren, ook bekend als fermentoren, zijn celcultuursystemen die geschikte groeiomgevingen bieden. Twee soorten bioreactoren worden veel gebruikt in celcultuur: batch en continu geroerde tankbioreactoren. Een batchreactor is een gesloten vatsysteem dat alle componenten bevat die nodig zijn voor celcultuur, terwijl een continu geroerde tankreactor een open systeem is waar componenten actief in en uit stromen, waardoor het mogelijk wordt om afval te verwijderen en voedingsstoffen aan te vullen. Om celgroei en celdichtheid te maximaliseren, kunnen meerdere reactorparameters worden geregeld voor beide systemen, inclusief temperatuur, druk, opgeloste zuurstof en pH. Deze video introduceert de fundamentele principes achter batch en continue reactoren en toont een procedure die hun gebruik in het laboratorium beschrijft.
Het eenvoudigste type bioreactor is de batchreactor, een gesloten systeem dat celcultuurmedia en een populatie cellen bevat. Terwijl de cellen groeien, consumeren ze de voedingsstoffen en scheiden afval af, dat zich in het vat opeenhoopt. Ook worden continue geroerde tankreactoren gebruikt, die open systemen zijn waarin voedingsstoffen continu binnenstromen en cellen en celafval uitstromen. Dit maakt het mogelijk om de celdichtheid te controleren door afval te verwijderen en voedingsstoffen aan te vullen. Voor gebruik van elk van de systemen worden de componenten gesteriliseerd, meestal met behulp van stoom om besmetting te voorkomen. Wanneer de reactor volledig is geassembleerd, wordt steriele cultuurmedia toegevoegd aan het hoofdvat en vervolgens geïncubeerd met een startercultuur. Tijdens gebruik worden menging en oxygenatie geregeld met behulp van roerwerk om een homogene oplossing te handhaven waarin cellen voldoende hoeveelheden voedingsstoffen en zuurstof krijgen die nodig zijn voor groei. Bovendien zijn fermentortanksystemen vaak uitgerust met sondes om condities zoals temperatuur, opgeloste zuurstof en pH te meten om optimale groeicondities te garanderen. Tijdens batchgroei ondergaat de celpopulatie klassieke groeifasen. Eerst gaan de cellen de latentiefase in, waarin de cellen langzaam groeien terwijl ze zich aanpassen aan hun omgeving. Vervolgens gaan de cellen de logfase in en delen met een exponentiële snelheid totdat de voedingsstoffen zijn uitgeput of toxische bijproducten een kritisch niveau bereiken. Uiteindelijk vertraagt de groei en bereiken de cellen de stationaire fase, wat een mogelijkheid biedt om het product van interesse uit de cultuur te verzamelen. Het product wordt ofwel uitgescheiden door de cellen en direct uit de cultuurvloeistof verzameld, of het product blijft in de cel en moet via cellyse worden verwijderd. Na het oogsten wordt de reactor voorbereid voor een nieuwe celcultuurbatch door schoonmaken en steriliseren.
Continue geroerde tankreactoren vertonen aanvankelijk vergelijkbare groeipatronen en bereiken een constante celdichtheid bij stabiele bedrijfstoestand. Deze celdichtheid is echter afhankelijk van de verdunningssnelheid, die de voedings- en effluentsnelheid is gedeeld door het reactorvolume. Dus naarmate de verdunningssnelheid één nadert, neemt de celdichtheid af. Bij het overwegen van bioreactorconfiguraties is het handig om in gedachten te houden dat batchreactoren vaak worden gebruikt vanwege hun eenvoud en lage kosten, hoewel de celdichtheid beperkt is. Continue reactoren kunnen de celdichtheid verhogen. Bij hoge celdichtheden kan echter aggregatie optreden, wat optimale groei verhindert. Bovendien kunnen langere fermentatieperioden het risico op cultuurbesmetting verhogen.
Nu we batch en continue reactoren hebben geïntroduceerd, laten we een procedure voor beide bekijken, beginnend met de batchreactor. Voor gebruik van de batchreactor wordt celmedia toegevoegd aan een schone reactievat. Eenmaal gevuld, worden de vaatcomponenten gespoeld met gedeïoniseerd water en geassembleerd. De componenten omvatten de hoofdplaat, de oogstpijp voor cultuurmonsters, een roerwerk voor het handhaven van cultuuruniformiteit en media-oxygenatie, en een gassparger om gasinfusie in de cultuur te bieden. De assemblage gaat verder met de installatie van een oxygenatiesonde om het gehalte aan opgeloste zuurstof in het vat te meten, toevoerleidingen voor het toevoegen van zuur of base om de pH te regelen, en een gekalibreerd pH-sonde. Wanneer alle componenten zijn geïnstalleerd, wordt de geassembleerde reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Het vat wordt vervolgens geïnstalleerd in de fermentorbasis, waar zowel de pH-sonde als de zuurstofsonde op de computer zijn aangesloten. Bovendien is de gassparger aangesloten op een gasrotameter, die de gasstroomsnelheid meet. Op dit moment wordt het roerwerk ingeschakeld en worden de gasstroom, temperatuur en vatverroering aangepast totdat de gewenste parameters zijn bereikt. De inocultatiepoort wordt vervolgens gesteriliseerd met alcohol en de startercultuur wordt in het reactorvat gedispenseerd. Tijdens het gebruik worden celcultuurmonsters op geselecteerde tijdstippen genomen om een groeicurve te construeren op basis van celdichtheidsmetingen. Wanneer de celdichtheid het gewenste niveau bereikt, wordt de cultuur gestopt en worden de cellen uit het vat gehaald via een reeks filtratie stappen. De resterende inhoud van het vat wordt afgevoerd met behulp van bleekmiddel of andere antimicrobiële middelen.
Net als batchreactoren vereisen continue geroerde tankreactoren, soms chemostaten genoemd, dat hun individuele componenten grondig worden gespoeld met gedeïoniseerd water voordat ze worden geassembleerd. Eenmaal schoongemaakt, worden de roerwerkassemblage en de aandrijfascomponenten bij elkaar geplaatst en het reactorvat wordt gevuld met gedeïoniseerd water om de sterilisatie tijdens autoclaveren te verbeteren. Opgeloste zuurstof, pH en temperatuur sondes worden gekalibreerd en vervolgens geïnstalleerd. Met het volledig geassembleerde vat wordt de reactor gesteriliseerd met behulp van een autoclaaf. Na sterilisatie wordt het vat in een warmtemantel geplaatst om de temperatuur te regelen en worden de gekalibreerd sondes aangesloten. Vervolgens worden de mediacarboy en luchttoevoer met een steriele filter aangesloten voordat de luchtstroom wordt ingeschakeld. Het vat wordt voorbereid met steriele media door de carboy-slang los te klampen en vervolgens het basisfermentatieprogramma te starten. Terwijl de media in de actieve reactor stroomt, wordt de inocultatiepoort gesteriliseerd met alcohol voordat één milliliter startercultuur aan het vat wordt toeg
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.
Hoofdstukken in deze video
0:06
Overview
1:08
Principles of Batch and Continuous Reactors
4:16
Batch Reactor Operation
6:15
Continuous Reactor Operation
7:50
Applications
9:18
Summary