Биореакторы периодического и непрерывного действия
Биореакторы используются для выращивания организмов в больших объемах, что позволяет производить массовые количества целевого продукта. Эти реакторы м…
Биореакторы, также известные как ферментеры, представляют собой системы клеточных культур, которые обеспечивают подходящие условия для роста. В биореакторах для клеточных культур обычно используются два типа биореакторов: биореакторы периодического действия и биореакторы с непрерывным перемешиванием. Реактор периодического действия представляет собой закрытую систему сосудов, содержащую все компоненты, необходимые для культивирования клеток, в то время как реактор непрерывного действия с перемешиванием представляет собой открытую систему, в которой компоненты активно поступают внутрь и наружу, что позволяет удалять отходы и пополнять запасы питательных веществ. Чтобы максимизировать рост и плотность клеток, можно контролировать несколько параметров реактора для обеих систем, включая температуру, давление, растворенный кислород и pH. В этом видеоролике будут представлены фундаментальные принципы реакторов периодического действия и реакторов непрерывного действия, а также подробно описана процедура их использования в лаборатории.
Самым простым типом биореактора является реактор периодического действия, представляющий собой замкнутую систему, содержащую среды клеточных культур и популяцию клеток. По мере роста клетки потребляют питательные вещества и выделяют отходы, которые накапливаются в сосуде. Также используются реакторы с непрерывным перемешиванием, которые представляют собой открытые системы, в которых питательные вещества непрерывно поступают, а клетки и клеточные отходы вытекают. Это позволяет контролировать плотность клеток за счет удаления отходов и восполнения питательных веществ. Перед использованием любой из систем компоненты стерилизуются, обычно с использованием пара для снижения загрязнения. Когда реактор полностью собран, стерильные питательные среды добавляются в основной сосуд, а затем инокулируются закваской. Во время использования смешивание и оксигенация контролируются с помощью крыльчаток для поддержания однородного раствора, в котором клетки снабжаются достаточным количеством питательных веществ и кислорода, необходимых для роста. Кроме того, ферментационные баки часто оснащаются зондами для измерения таких условий, как температура, растворенный кислород и pH, чтобы обеспечить оптимальные условия для роста. Во время периодического роста клеточная популяция проходит классические фазы роста. Во-первых, клетки вступают в фазу запаздывания, когда клетки растут медленно, адаптируясь к окружающей среде. Затем клетки вступают в логарифмическую фазу и делятся с экспоненциальной скоростью до тех пор, пока питательные вещества не будут исчерпаны или токсичные побочные продукты не достигнут критического уровня. Со временем рост замедляется и клетки переходят в стационарную фазу, что дает возможность собрать интересующий продукт из культуры. Продукт либо секретируется клетками и собирается непосредственно из культурального бульона, либо продукт остается в клетке и должен быть удален путем лизиса клеток. После сбора урожая реактор подготавливается к новой партии клеточной культуры путем очистки и стерилизации.
Реакторы с непрерывным перемешиванием изначально демонстрируют схожие модели роста и достигают постоянной плотности ячеек в установившемся режиме. Однако плотность этой ячейки зависит от скорости разбавления, которая представляет собой скорость подачи и выхода, деленную на объем реактора. Таким образом, по мере приближения скорости разведения к единице плотность клеток уменьшается. При рассмотрении конфигураций биореакторов полезно иметь в виду, что реакторы периодического действия часто используются из-за их простоты и низкой стоимости, хотя плотность клеток ограничена. Реакторы непрерывного действия способны увеличивать плотность ячеек. Однако при высокой плотности клеток может происходить агрегация, препятствующая оптимальному росту. Кроме того, более длительные периоды ферментации могут увеличить риск загрязнения культуры.
Теперь, когда мы представили реакторы периодического и непрерывного действия, давайте рассмотрим процедуру для обоих, начиная с реактора периодического действия. Перед использованием реактора периодического действия питательная среда ячеек добавляется в чистую реакционную емкость. После заполнения компоненты сосуда промываются деионизированной водой и собираются. Компоненты включают в себя напорную пластину, уборочную трубу для отбора проб культуры, крыльчатку для поддержания однородности культуры и насыщения среды кислородом, а также газовый распылитель для обеспечения газовой инфузии в культуру. Сборка продолжается установкой зонда оксигенации для измерения содержания растворенного кислорода в сосуде, подающих линий для добавления кислоты или основания для контроля pH и откалиброванного зонда pH. Когда все компоненты установлены, собранный реактор стерилизуется с помощью автоклава. Затем сосуд устанавливается в основание ферментера, где к компьютеру подключаются датчик pH и зонд кислорода. Кроме того, газовый распылитель подключен к газовому ротаметру, который измеряет расход газа. В это время включается рабочее колесо и регулируется расход газа, температура и перемешивание сосуда до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые параметры. Затем порт для посева стерилизуется спиртом, а закваска выдается в корпус реактора. Во время работы образцы клеточных культур отбираются в выбранные моменты времени для построения кривой роста на основе измерений плотности клеток. Когда плотность клеток достигает желаемого уровня, культуру останавливают и собирают клетки из сосуда с помощью серии этапов фильтрации. Оставшееся содержимое сосуда утилизируется с помощью отбеливателя или другого антимикробного содержимого.
Подобно реакторам периодического действия, реакторы непрерывного действия с перемешиванием, иногда называемые хемостатами, требуют, чтобы их отдельные компоненты были тщательно промыты деионизированной водой перед сборкой. После очистки узлы мешалки и приводного вала устанавливаются вместе, а корпус реактора заполняется деионизированной водой для улучшения стерилизации во время автоклавирования. Датчики растворенного кислорода, pH и температуры калибруются, а затем устанавливаются. Когда сосуд полностью собран, реактор стерилизуется с помощью автоклава. После стерилизации сосуд помещают в нагревательную рубашку для контроля его температуры, а откалиброванные щупы подключают. Затем перед включением воздушного потока подключаются тележка для фильтра и подача воздуха со стерильным фильтром. Сосуд заполняется стерильной средой путем разжима трубки carboy, а затем запускается основная программа ферментера. По мере поступления среды в активный реактор посевной порт стерилизуется спиртом перед добавлением в сосуд одного миллилитра закваски. Во время работы в выбранные моменты времени отбираются образцы культур для измерения плотности клеток. Затем эти данные используются для построения кривой роста. Оптимальный рост достигается, когда культура достигает устойчивого состояния, что означает, что плотность клеток остается постоянной.
Теперь, когда вы узнали о реакторах периодического действия и реакторах непрерывного действия с перемешиванием, давайте рассмотрим некоторые практические применения этой технологии. Пивоварение обычно осуществляется путем выращивания дрожжей в реакторной системе периодического действия. В реактор добавляется набор основных ингредиентов, состоящий из очищенной воды, солодового ячменя, хмеля и дрожжей. Солодовый ячмень стимулирует процесс брожения, выступая в качестве богатого сахаром источника пищи для дрожжей, что при употреблении приводит к образованию алкоголя в качестве отходного продукта. После того, как смесь достигла целевого содержания алкоголя или ферментировалась в течение установленного периода времени, ее можно отфильтровать, упаковать и оставить для выдержки, чтобы вызвать карбонизацию перед распределением конечного продукта. Стандартные реакторы также могут быть адаптированы для специализированных целей. Например, специализированные реакторы могут быть использованы для повышения жизнеспособности клеток тканевых каркасов за счет улучшения распределения клеток и питательных веществ путем постоянного перемешивания. В то же время механическая стимуляция может быть применена к каркасу для стимулирования производства внеклеточного матрикса и активного управления ростом и дифференцировкой клеток. Полученные каркасы обладают улучшенными физиологическими и механическими свойствами, что делает их привлекательными для имплантации.
Вы только что посмотрели видео Джова о реакторах периодического действия и реакторах непрерывного действия. Теперь вы должны понять, как работают биореакторы периодического и непрерывного действия с перемешиванием, и как эти системы могут быть применены в области биоинженерии. Спасибо за просмотр.
Биореакторы, также известные как ферментеры, представляют собой системы клеточных культур, которые обеспечивают подходящие условия для роста. В биореакторах для клеточных культур обычно используются два типа биореакторов: биореакторы периодического действия и биореакторы с непрерывным перемешиванием. Реактор периодического действия представляет собой закрытую систему сосудов, содержащую все компоненты, необходимые для культивирования клеток, в то время как реактор непрерывного действия с перемешиванием представляет собой открытую систему, в которой компоненты активно поступают внутрь и наружу, что позволяет удалять отходы и пополнять запасы питательных веществ. Чтобы максимизировать рост и плотность клеток, можно контролировать несколько параметров реактора для обеих систем, включая температуру, давление, растворенный кислород и pH. В этом видеоролике будут представлены фундаментальные принципы реакторов периодического действия и реакторов непрерывного действия, а также подробно описана процедура их использования в лаборатории.
Самым простым типом биореактора является реактор периодического действия, представляющий собой замкнутую систему, содержащую среды клеточных культур и популяцию клеток. По мере роста клетки потребляют питательные вещества и выделяют отходы, которые накапливаются в сосуде. Также используются реакторы с непрерывным перемешиванием, которые представляют собой открытые системы, в которых питательные вещества непрерывно поступают, а клетки и клеточные отходы вытекают. Это позволяет контролировать плотность клеток за счет удаления отходов и восполнения питательных веществ. Перед использованием любой из систем компоненты стерилизуются, обычно с использованием пара, чтобы уменьшить загрязнение. Когда реактор полностью собран, стерильные питательные среды добавляются в основной сосуд, а затем инокулируются закваской. Во время использования смешивание и оксигенация контролируются с помощью крыльчаток для поддержания однородного раствора, в котором клетки снабжаются достаточным количеством питательных веществ и кислорода, необходимых для роста. Кроме того, ферментационные баки часто оснащаются зондами для измерения таких условий, как температура, растворенный кислород и pH, чтобы обеспечить оптимальные условия для роста. Во время периодического роста клеточная популяция проходит классические фазы роста. Во-первых, клетки вступают в фазу запаздывания, когда клетки растут медленно, адаптируясь к окружающей среде. Затем клетки вступают в логарифмическую фазу и делятся с экспоненциальной скоростью до тех пор, пока питательные вещества не будут исчерпаны или токсичные побочные продукты не достигнут критического уровня. Со временем рост замедляется и клетки переходят в стационарную фазу, что дает возможность собрать интересующий продукт из культуры. Продукт либо секретируется клетками и собирается непосредственно из культурального бульона, либо продукт остается в клетке и должен быть удален путем лизиса клеток. После сбора урожая реактор подготавливается к новой партии клеточной культуры путем очистки и стерилизации.
Реакторы с непрерывным перемешиванием изначально демонстрируют схожие модели роста и достигают постоянной плотности ячеек в установившемся режиме. Однако плотность этой ячейки зависит от скорости разбавления, которая представляет собой скорость подачи и выхода, деленную на объем реактора. Таким образом, по мере приближения скорости разведения к единице плотность клеток уменьшается. При рассмотрении конфигураций биореакторов полезно иметь в виду, что реакторы периодического действия часто используются из-за их простоты и низкой стоимости, хотя плотность клеток ограничена. Реакторы непрерывного действия способны увеличивать плотность ячеек. Однако при высокой плотности клеток может происходить агрегация, препятствующая оптимальному росту. Кроме того, более длительные периоды ферментации могут увеличить риск загрязнения культуры.
Теперь, когда мы представили реакторы периодического и непрерывного действия, давайте рассмотрим процедуру для обоих, начиная с реактора периодического действия. Перед использованием реактора периодического действия питательная среда ячеек добавляется в чистую реакционную емкость. После заполнения компоненты сосуда промываются деионизированной водой и собираются. Компоненты включают в себя напорную пластину, уборочную трубу для отбора проб культуры, крыльчатку для поддержания однородности культуры и насыщения среды кислородом, а также газовый распылитель для обеспечения газовой инфузии в культуру. Сборка продолжается установкой зонда оксигенации для измерения содержания растворенного кислорода в сосуде, подающих линий для добавления кислоты или основания для контроля pH и откалиброванного зонда pH. Когда все компоненты установлены, собранный реактор стерилизуется с помощью автоклава. Затем сосуд устанавливается в основание ферментера, где к компьютеру подключаются датчик pH и зонд кислорода. Кроме того, газовый распылитель подключен к газовому ротаметру, который измеряет расход газа. В это время включается рабочее колесо и регулируется расход газа, температура и перемешивание сосуда до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые параметры. Затем порт для посева стерилизуется спиртом, а закваска выдается в корпус реактора. Во время работы образцы клеточных культур отбираются в выбранные моменты времени для построения кривой роста на основе измерений плотности клеток. Когда плотность клеток достигает желаемого уровня, культуру останавливают и собирают клетки из сосуда с помощью серии этапов фильтрации. Оставшееся содержимое сосуда утилизируется с помощью отбеливателя или другого антимикробного содержимого.
Подобно реакторам периодического действия, реакторы непрерывного действия с перемешиванием, иногда называемые хемостатами, требуют, чтобы их отдельные компоненты были тщательно промыты деионизированной водой перед сборкой. После очистки узлы мешалки и приводного вала устанавливаются вместе, а корпус реактора заполняется деионизированной водой для улучшения стерилизации во время автоклавирования. Датчики растворенного кислорода, pH и температуры калибруются, а затем устанавливаются. Когда сосуд полностью собран, реактор стерилизуется с помощью автоклава. После стерилизации сосуд помещают в нагревательную рубашку для контроля его температуры, а откалиброванные щупы подключают. Затем перед включением воздушного потока подключаются тележка для фильтра и подача воздуха со стерильным фильтром. Сосуд заполняется стерильной средой путем разжима трубки carboy, а затем запускается основная программа ферментера. По мере поступления среды в активный реактор посевной порт стерилизуется спиртом перед добавлением в сосуд одного миллилитра закваски. Во время работы в выбранные моменты времени отбираются образцы культур для измерения плотности клеток. Затем эти данные используются для построения кривой роста. Оптимальный рост достигается, когда культура достигает устойчивого состояния, что означает, что плотность клеток остается постоянной.
Теперь, когда вы узнали о реакторах периодического действия и реакторах непрерывного действия с перемешиванием, давайте рассмотрим некоторые практические применения этой технологии. Пивоварение обычно осуществляется путем выращивания дрожжей в реакторной системе периодического действия. В реактор добавляется набор основных ингредиентов, состоящий из очищенной воды, солодового ячменя, хмеля и дрожжей. Солодовый ячмень стимулирует процесс брожения, выступая в качестве богатого сахаром источника пищи для дрожжей, что при употреблении приводит к образованию алкоголя в качестве отходного продукта. После того, как смесь достигла целевого содержания алкоголя или ферментировалась в течение установленного периода времени, ее можно отфильтровать, упаковать и оставить для выдержки, чтобы вызвать карбонизацию перед распределением конечного продукта. Стандартные реакторы также могут быть адаптированы для специализированных целей. Например, специализированные реакторы могут быть использованы для повышения жизнеспособности клеток тканевых каркасов за счет улучшения распределения клеток и питательных веществ путем постоянного перемешивания. В то же время механическая стимуляция может быть применена к каркасу для стимулирования производства внеклеточного матрикса и активного управления ростом и дифференцировкой клеток. Полученные каркасы обладают улучшенными физиологическими и механическими свойствами, что делает их привлекательными для имплантации.
Вы только что посмотрели видео Джова о реакторах периодического действия и реакторах непрерывного действия. Теперь вы должны понять, как работают биореакторы периодического и непрерывного действия с перемешиванием, и как эти системы могут быть применены в области биоинженерии. Спасибо за просмотр.
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.