Biorreatores em lotes e contínuos

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.

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.

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.

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.

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.

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.