Biorreatores em lotes e contínuos
Os bioreatores são usados para cultivar organismos em grandes volumes, permitindo assim a produção de quantidades de massa do produto-alvo. Estes reat…
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.
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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.
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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.