Name: growing cells in bioreactors
Uploaded: 2023-04-30T06:32:43.000Z
Duration: 9 min 40 s
Channel: JoVE

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Bioreatores, também conhecidos como fermentadores, são sistemas de cultura celular que fornecem ambientes de crescimento adequados. Dois tipos de bioreatores são comumente usados na cultura celular, em lote e bioreatores de tanques agitados contínuos. Um reator em lote é um sistema de vasos fechado que contém todos os componentes necessários para a cultura celular, enquanto um reator tanque agitado contínuo é um sistema aberto onde os componentes estão fluindo ativamente para dentro e para fora, permitindo a remoção de resíduos e a reposição de nutrientes. Para maximizar o crescimento celular e a densidade celular, vários parâmetros do reator podem ser controlados para ambos os sistemas, incluindo temperatura, pressão, oxigênio dissolvido e pH. Este vídeo introduzirá os princípios fundamentais por trás de reatores em lote e contínuos e demonstrará um procedimento detalhando seu uso em laboratório.
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O tipo mais simples de bioreator é o reator de lote, que é um sistema fechado contendo mídia de cultura celular e uma população de células. À medida que as células crescem, consomem os nutrientes e excretam resíduos, que se acumulam no vaso. Também são utilizados reatores de tanques agitados contínuos, que são sistemas abertos onde os nutrientes fluem continuamente, e células e resíduos celulares fluem. Isso permite o controle da densidade celular através da remoção de resíduos e da reposição de nutrientes. Antes do uso de qualquer sistema, os componentes são esterilizados, geralmente usando vapor para mitigar a contaminação. Quando o reator é totalmente montado, a mídia cultural estéril é adicionada ao vaso principal e, em seguida, inoculada com uma cultura inicial. Durante o uso, a mistura e a oxigenação são controladas com o uso de impellers para manter uma solução homogênea onde as células são fornecidas com quantidades suficientes de nutrientes e oxigênio necessários para o crescimento. Além disso, os sistemas de tanques fermentadores são frequentemente equipados com sondas para medir condições como temperatura, oxigênio dissolvido e pH para garantir condições ideais de crescimento. Durante o crescimento do lote, a população celular passa por fases clássicas de crescimento. Primeiro, as células entram em fase de defasagem, onde as células crescem lentamente à medida que se adaptam ao seu ambiente. Em seguida, as células entram na fase de tronco e se dividem a uma taxa exponencial até que os nutrientes estejam esgotados ou subprodutos tóxicos atinjam um nível crítico. Eventualmente, o crescimento desacelera e as células atingem a fase estacionária que proporciona uma oportunidade de colher o produto do interesse da cultura. O produto é secretado pelas células e coletado diretamente do caldo de cultura, ou o produto permanece na célula e deve ser removido via lise celular. Após a colheita, o reator é preparado para um novo lote de cultura celular por meio da limpeza e esterilização.
Reatores de tanques agitados contínuos exibem padrões de crescimento semelhantes inicialmente e atingem uma densidade celular constante em operação de estado estável. No entanto, essa densidade celular depende da taxa de diluição, que é a taxa de alimentação e efluentes dividida pelo volume do reator. Assim, à medida que a taxa de diluição se aproxima de uma, a densidade celular diminui. Ao considerar as configurações do bioreator, é útil ter em mente que os reatores em lote são frequentemente usados devido à sua simplicidade e baixo custo, embora a densidade celular seja limitada. Reatores contínuos são capazes de aumentar a densidade celular. No entanto, em altas densidades celulares pode ocorrer agregação, impedindo o crescimento ideal. Além disso, períodos mais longos de fermentação podem aumentar o risco de contaminação cultural.
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Agora que introduzimos lotes e reatores contínuos, vamos examinar um procedimento para ambos, começando pelo reator de lote. Antes do uso do reator em lote, a mídia celular é adicionada a um vaso de reação limpa. Uma vez preenchidos, os componentes do vaso são enxaguados com água deionizada e montados. Os componentes incluem a placa da cabeça, o tubo de colheita para amostragem de cultura, um impulsor para manter a uniformidade cultural e a oxigenação da mídia, e o esparger de gás para fornecer infusão de gás à cultura. A montagem continua com a instalação de uma sonda de oxigenação para medir o teor de oxigênio dissolvido na nave, linhas de alimentação para adicionar ácido ou base para controlar pH e uma sonda de pH calibrada. Quando todos os componentes são instalados, o reator montado é esterilizado usando uma autoclave. A nave é então instalada na base do fermentador, onde tanto a sonda pH quanto a sonda de oxigênio estão conectadas ao computador. Além disso, o sparger de gás está conectado a um rotametro de gás, que mede a vazão do gás. Neste momento, o propulsor é ligado e o fluxo de gás, temperatura e agitação do vaso são ajustados até que os parâmetros desejados sejam alcançados. A porta de inoculação é então esterilizada com álcool e a cultura inicial dispensada no vaso do reator. Durante a operação, amostras de cultura celular são coletadas em pontos de tempo selecionados para construir uma curva de crescimento baseada em medições de densidade celular. Quando a densidade celular atinge o nível desejado, a cultura é interrompida e as células são colhidas do vaso através de uma série de etapas de filtragem. Os demais conteúdos da embarcação são descartados usando alvejante ou outros conteúdos antimicrobianos.
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Semelhante aos reatores em lote, reatores de tanques agitados contínuos, às vezes chamados de quimiostatas, exigem que seus componentes individuais sejam enxaguados completamente com água desionizada antes do montagem. Uma vez limpos, os componentes do eixo do agitador e do eixo de acionamento são montados juntos, e o vaso do reator cheio de água deionizada para melhorar a esterilização durante a autoclavagem. As sondas de oxigênio, pH e temperatura dissolvidas são calibradas e, posteriormente, instaladas. Com o vaso totalmente montado, o reator é esterilizado usando uma autoclave. Após a esterilização, o vaso é colocado em uma jaqueta de calor para controlar sua temperatura, e as sondas calibradas são conectadas. Em seguida, o carboy de mídia e o suprimento de ar com um filtro estéril são conectados antes de ligar o fluxo de ar. A embarcação é preparada com mídia estéril desordenando a tubulação carboy, e, em seguida, executando o programa de fermentador básico. À medida que a mídia flui para o reator ativo, a porta de inoculação é esterilizada com álcool antes que um mililitro da cultura inicial seja adicionado ao vaso. Durante a operação, amostras de cultura são colhidas em pontos de tempo selecionados para medir a densidade celular. Esses dados são então usados para construir uma curva de crescimento. O crescimento ideal é alcançado quando a cultura atinge um estado estável, o que significa que a densidade celular permanece constante.
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Agora que você aprendeu sobre reatores de tanques em lote e contínuos, vamos olhar para algumas aplicações práticas desta tecnologia. A fabricação de cerveja é tipicamente realizada pelo cultivo de levedura em um sistema de reator em lote. Um conjunto de ingredientes básicos que consistem em água purificada, cevada malte, lúpulo e levedura são adicionados a um reator. A cevada malte estimula o processo de fermentação, atuando como fonte de alimento rica em açúcar para a levedura, o que, quando consumido, resulta na produção de álcool como produto de resíduo. Uma vez que a mistura tenha atingido seu teor alcoólico alvo, ou fermentada pelo tempo prescrito, ela pode ser filtrada, embalada e deixada à idade para induzir a carbonação antes que o produto final seja distribuído. Reatores padrão também podem ser personalizados para fins especializados. Por exemplo, reatores especializados podem ser usados para aumentar a viabilidade celular de andaimes teciduais através de distribuição de células e nutrientes aprimoradas por meio da mistura constante. Simultaneamente, a estimulação mecânica pode ser aplicada ao andaime para incentivar a produção de matriz extracelular e direcionar ativamente o crescimento e diferenciação celular. Os andaimes resultantes melhoraram as propriedades fisiológicas e mecânicas, tornando-os atraentes para a implantação.
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Você acabou de ver o vídeo de Jove em lotes e reatores contínuos agitados. Agora você deve entender como funcionam os bioreatores de tanques em lote e contínuos, e como esses sistemas podem ser aplicados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.
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biorreatores em lotes e contínuos

Batch and Continuous Bioreactors

Os bioreatores são usados para cultivar organismos em grandes volumes, permitindo assim a produção de quantidades de massa do produto-alvo. Estes reatores podem ser reatores em lote, que contêm todos os componentes necessários para o crescimento celular, ou reatores contínuos, que possuem portas de entrada e saída permitindo a adição de novas mídias de crescimento e a remoção de resíduos celulares.
Este vídeo apresenta lotes e reatores contínuos e demonstra o uso de bioreatores para cultivar bactérias em laboratório. Finalmente, este vídeo considera como esses reatores são usados no campo da bioengenharia para produzir produtos como terapêutica proteica ou até mesmo cerveja.

Biorreatores em lotes e contínuos

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes, thereby enabling the production of mass quantities of the target product. These reactors can be ...

Os biorreatores, também conhecidos como fermentadores, são sistemas de cultura de células que fornecem ambientes de crescimento adequados. Dois tipos de biorreatores são comumente usados em cultura de células, biorreatores de tanque agitado contínuo e em lote. Um reator em batelada é um sistema de vaso fechado que contém todos os componentes necessários para a cultura de células, enquanto um reator de tanque agitado contínuo é um sistema aberto onde os componentes estão fluindo ativamente para dentro e para fora, permitindo a remoção de resíduos e a reposição de nutrientes. Para maximizar o crescimento celular e a densidade celular, vários parâmetros do reator podem ser controlados para ambos os sistemas, incluindo temperatura, pressão, oxigênio dissolvido e pH. Este vídeo apresentará os princípios fundamentais por trás dos reatores em batelada e contínuos e demonstrará um procedimento detalhando seu uso em laboratório. O tipo mais simples de biorreator é o reator em batelada, que é um sistema fechado contendo meios de cultura de células e uma população de células. À medida que as células crescem, elas consomem os nutrientes e excretam resíduos, que se acumulam no vaso. Também são usados reatores de tanque agitado contínuo, que são sistemas abertos onde os nutrientes fluem continuamente e as células e os resíduos celulares fluem para fora. Isso permite o controle da densidade celular por meio da remoção de resíduos e da reposição de nutrientes. Antes do uso de qualquer um dos sistemas, os componentes são esterilizados, geralmente usando vapor para mitigar a contaminação. Quando o reator está totalmente montado, meios de cultura estéreis são adicionados ao recipiente principal e, em seguida, inoculados com uma cultura inicial. Durante o uso, a mistura e a oxigenação são controladas com o uso de impulsores para manter uma solução homogênea, onde as células recebem quantidades suficientes de nutrientes e oxigênio necessários para o crescimento. Além disso, os sistemas de tanques fermentadores geralmente são equipados com sondas para medir condições como temperatura, oxigênio dissolvido e pH para garantir condições ideais para o crescimento. Durante o crescimento em lote, a população de células passa por fases clássicas de crescimento. Primeiro, as células entram na fase de atraso, onde as células crescem lentamente à medida que se adaptam ao ambiente. Em seguida, as células entram na fase logarítmica e se dividem a uma taxa exponencial até que os nutrientes se esgotem ou os subprodutos tóxicos atinjam um nível crítico. Eventualmente, o crescimento diminui e as células atingem a fase estacionária, o que oferece uma oportunidade de colher o produto de interesse da cultura. O produto é secretado pelas células e coletado diretamente do caldo de cultura, ou o produto permanece na célula e deve ser removido por lise celular. Após a colheita, o reator é preparado para um novo lote de cultura de células por limpeza e esterilização. Os reatores de tanque agitado contínuo exibem padrões de crescimento semelhantes inicialmente - e atingem uma densidade celular constante em operação em estado estacionário. No entanto, essa densidade celular depende da taxa de diluição, que é a taxa de alimentação e efluente dividida pelo volume do reator. Assim, à medida que a taxa de diluição se aproxima de um, a densidade celular diminui. Ao considerar as configurações dos biorreatores, é útil ter em mente que os reatores em batelada são frequentemente usados devido à sua simplicidade e baixo custo, embora a densidade celular seja limitada. Os reatores contínuos são capazes de aumentar a densidade celular. No entanto, em altas densidades celulares, pode ocorrer agregação, impedindo o crescimento ideal. Além disso, períodos mais longos de fermentação podem aumentar o risco de contaminação da cultura. Agora que introduzimos os reatores em batelada e contínuos, vamos examinar um procedimento para ambos, começando com o reator em batelada. Antes do uso do reator em lote, o meio celular é adicionado a um recipiente de reação limpo. Uma vez cheios, os componentes do recipiente são enxaguados com água deionizada e montados. Os componentes incluem a placa principal, o tubo de colheita para amostragem de cultura, um impulsor para manter a uniformidade da cultura e a oxigenação do meio e aspersor de gás para fornecer infusão de gás à cultura. A montagem continua com a instalação de uma sonda de oxigenação para medir o teor de oxigênio dissolvido no recipiente, linhas de alimentação para adicionar ácido ou base para controlar o pH e uma sonda de pH calibrada. Quando todos os componentes são instalados, o reator montado é esterilizado em autoclave. O recipiente é então instalado na base do fermentador, onde a sonda de pH e a sonda de oxigênio são conectadas ao computador. Além disso, o aspersor de gás é conectado a um rotâmetro de gás, que mede a vazão de gás. Neste momento, o impulsor é ligado e o fluxo de gás, a temperatura e a agitação do vaso são ajustados até que os parâmetros desejados sejam alcançados. A porta de inoculação é então esterilizada com álcool e a cultura inicial é dispensada no recipiente do reator. Durante a operação, amostras de cultura de células são retiradas em pontos de tempo selecionados para construir uma curva de crescimento com base nas medições de densidade celular. Quando a densidade celular atinge o nível desejado, a cultura é interrompida e as células são colhidas do vaso por meio de uma série de etapas de filtração. O conteúdo restante do recipiente é descartado usando alvejante ou outro conteúdo antimicrobiano. Semelhante aos reatores em batelada, os reatores de tanque agitado contínuo, às vezes chamados de quimiostatos, exigem que seus componentes individuais sejam enxaguados completamente com água deionizada antes da montagem. Uma vez limpos, o conjunto do agitador e os componentes do eixo de acionamento são encaixados e o vaso do reator é preenchido com água deionizada para melhorar a esterilização durante a autoclavagem. As sondas de oxigênio dissolvido, pH e temperatura são calibradas e, em seguida, instaladas. Com o vaso totalmente montado, o reator é esterilizado em autoclave. Após a esterilização, o recipiente é colocado em uma camisa térmica para controlar sua temperatura e as sondas calibradas são conectadas. Em seguida, o garrafão de mídia e o suprimento de ar com um filtro estéril são conectados antes de ligar o fluxo de ar. O recipiente é preparado com meio estéril, desprendendo o tubo do garrafão e, em seguida, executando o programa básico do fermentador. À medida que o meio flui para o reator ativo, a porta de inoculação é esterilizada com álcool antes que um mililitro de cultura inicial seja adicionado ao recipiente. Durante a operação, amostras de cultura são coletadas em pontos de tempo selecionados para medir a densidade celular. Esses dados são então usados para construir uma curva de crescimento. O crescimento ideal é alcançado quando a cultura atinge o estado estacionário, o que significa que a densidade celular permanece constante. Agora que você aprendeu sobre reatores de tanque agitado contínuo e em batelada, vejamos algumas aplicações práticas dessa tecnologia. A fabricação de cerveja é normalmente realizada pelo cultivo de levedura em um sistema de reator em lote. Um conjunto de ingredientes básicos que consiste em água purificada, cevada maltada, lúpulo e fermento é adicionado a um reator. A cevada maltada estimula o processo de fermentação, atuando como uma fonte de alimento rica em açúcar para a levedura, que, quando consumida, resulta na produção de álcool como resíduo. Uma vez que a mistura tenha atingido seu teor alcoólico desejado ou fermentado pelo tempo prescrito, ela pode ser filtrada, embalada e deixada envelhecida para induzir a carbonatação antes que o produto final seja distribuído. Os reatores padrão também podem ser personalizados para fins especializados. Por exemplo, reatores especializados podem ser usados para aumentar a viabilidade celular de andaimes de tecido por meio de maior distribuição de células e nutrientes por mistura constante. Simultaneamente, a estimulação mecânica pode ser aplicada ao andaime para estimular a produção de matriz extracelular e direcionar ativamente o crescimento e a diferenciação celular. Os andaimes resultantes melhoraram as propriedades fisiológicas e mecânicas, tornando-os atraentes para implantação. Você acabou de assistir ao vídeo de Jove sobre reatores agitados em batelada e contínuos. Agora você deve entender como funcionam os biorreatores de tanque agitado contínuo e em lote e como esses sistemas podem ser aplicados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Engenharia

Bioengineering

Bioengenharia

growing cells in bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation.

The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is removed.

This page also shows how bioreactors are used to grow bacteria in the laboratory. These systems help explain how bioengineering can produce useful products. Examples include protein therapeutics and even beer.

Growing Cells in Bioreactors

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta coleção abrange os principais conceitos da bioengenharia, que incluem a produção de biomateriais, culturas histotípicas e de órgãos inteiros, técnicas de bioprocessamento e os complexos campos de nível de sistema de bioMEMs e biosensoriamento.

Explore how batch and continuous bioreactors grow bacteria in large volumes and help produce products like protein therapeutics and beer.

Growing Cells in Bioreactors

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