间歇和连续生物反应器

Bioengineering

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Summary

生物反应器被用来在大量的生物体中生长, 从而使目标产品的大量生产。这些反应堆可以是间歇式反应堆, 它包含了细胞生长所需的所有组件, 或连续的反应堆, 它们有入口和出口, 允许增加新鲜的培养基和去除细胞的废物。

这段视频展示了间歇和连续的反应堆, 并演示了生物反应器在实验室中培养细菌的用途。最后, 该视频考虑如何在生物工程领域使用这些反应堆生产蛋白质疗法, 甚至啤酒等产品。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 生物工程. 间歇和连续生物反应器. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

生物反应器, 也称为发酵, 是细胞培养系统, 提供适宜的生长环境。两种类型的生物反应器是常用的细胞培养, 间歇和连续搅拌池反应器。间歇式反应器是一种封闭的容器系统, 包含了细胞培养所需的所有成分。而连续搅拌槽反应器是一个开放的系统, 其中组件是积极流动的进出, 使废物的清除和补充养分。为了使细胞生长和细胞密度最大化, 可以对两个系统控制多个反应器参数, 包括温度、压力、溶解氧和 pH 值。这段视频将介绍间歇式和连续式反应堆的基本原理, 并展示一个详细说明它们在实验室中使用的程序。

最简单的生物反应器是间歇式反应器, 它是一个包含细胞培养基和细胞群的封闭系统。当细胞生长时, 它们消耗养分和排泄废物, 在容器中积聚。连续搅拌槽反应器也被使用, 是开放系统在营养素连续流动, 并且细胞和细胞废物流出。这使得通过去除废物和补充养分来控制细胞密度。在使用任何一种系统之前, 这些部件都被消毒, 通常使用蒸汽, 以减少污染。当反应器完全组装时, 将无菌培养基添加到主容器中, 然后用起始培养剂进行接种。在使用过程中, 混合和氧化是控制与叶轮的使用, 以维持一个均匀的解决方案, 细胞提供足够数量的营养和氧气所需的增长。此外, 发酵坦克系统经常配备探头来测量温度、溶解氧和 pH 值, 以确保最佳的生长条件。在间歇生长过程中, 细胞数量经历了典型的生长阶段。首先, 细胞进入滞后阶段, 细胞生长缓慢, 因为它们适应环境。接下来, 细胞进入记录阶段, 以指数速率分裂, 直到养分耗尽或有毒副产品达到临界水平。最终, 生长减慢, 细胞到达固定阶段, 这为从文化中获取感兴趣的产品提供了机会。该产品要么由细胞分泌, 直接从养殖液中收集, 要么产品留在细胞中, 必须通过细胞裂解去除。在收获后, 反应器为新的细胞培养批次通过清洗和消毒准备。连续搅拌槽反应器最初表现出类似的生长模式, 在稳态运行时达到恒定的细胞密度。然而, 这种细胞密度取决于稀释率, 这是饲料和流出率除以反应器体积。因此, 当稀释率接近一, 细胞密度减少。在考虑生物反应器的配置时, 请记住间歇式反应器由于其简单性和低成本而经常被使用, 尽管细胞密度是有限的。连续的反应器能增加细胞密度。然而, 在高细胞密度聚集可能发生, 防止最佳的成长。此外, 长时间的发酵可以增加文化污染的风险。

现在, 我们已经引进了间歇和连续的反应堆, 让我们来检查两个程序, 从间歇反应堆开始。在间歇反应堆使用之前, 将细胞介质添加到清洁反应容器中。一旦填充, 容器的组成部分, 用去离子水冲洗和组装。该组件包括头板、养殖取样的收获管道、保持文化均匀性的叶轮和培养基的氧化, 以及气体器, 以提供气体注入到养殖中。装配继续安装一个氧探针来测量容器中的溶解氧含量, 用于添加酸或碱以控制 ph 值的饲料线, 以及校准的 ph 探针。当所有部件都安装好后, 组装的反应堆用高压釜灭菌。该容器然后安装在发酵基地, 其中 pH 探针和氧气探头连接到计算机。此外, 气体器连接到气体流量计, 测量气体流速。此时, 叶轮被打开, 气流、温度和容器搅动都经过调整, 直到达到预期的参数。接种口岸然后被消毒与酒精和发令者文化分配入反应器容器。在操作过程中, 细胞培养样品在选定的时间点绘制, 以构建一个基于细胞密度测量的生长曲线。当细胞密度达到所需的水平, 文化停止, 并通过一系列过滤步骤从容器中收获细胞。其余的船只的内容被弃置使用漂白剂或其他反微生物的内容。

与间歇式反应堆类似, 连续搅拌槽反应器, 有时被称为 chemostats, 要求其各自的部件在装配前用去离子水彻底冲洗。一旦清洗, 搅拌器总成和传动轴组件安装在一起, 反应器容器充满去离子水, 以改善灭菌期间的灭菌。溶解氧、pH 值和温度探头经过校准, 随后安装。在容器完全组装后, 反应堆用高压釜灭菌。在灭菌后, 将容器置于热夹克中以控制其温度, 并连接已校准的探头。然后, 在打开空气流动之前, 将介质坛和无菌过滤器的供气连接起来。该容器通过松开坛管, 然后运行基本的发酵程序, 以无菌介质进行引物。当介质流入活性反应器时, 接种口用酒精消毒, 然后将一毫升发酵剂添加到容器中。在操作过程中, 在选定的时间点采用培养样品来测量细胞密度。然后使用此数据构造一个增长曲线。当培养达到稳定状态时, 达到最佳生长, 即细胞密度保持不变。

现在, 您已经了解了间歇和连续搅拌槽反应器, 让我们来看看这项技术的一些实际应用。啤酒酿造通常是通过在间歇反应器系统中生长酵母来完成的。一组基本成分, 包括纯净水, 麦芽大麦, 啤酒花和酵母添加到一个反应堆。麦芽大麦通过充当酵母的富含糖的食物来源来刺激发酵过程, 在饮用时, 会导致酒精作为废品生产。一旦混合物达到其目标酒精含量, 或发酵的规定量的时间, 它可以过滤, 包装, 并留到年龄, 以诱导碳化前的最终产品分发。标准反应堆也可以为专门用途而定制。例如, 专门的反应堆可以通过不断的混合, 通过增强细胞和养分分布来提高组织支架的细胞活力。同时, 机械刺激可应用于支架, 以鼓励超细胞基质生产, 并积极引导细胞生长和分化。由此产生的支架改善了生理和机械性能, 使其具有吸引力。

你刚刚看了朱庇特的视频间歇和连续搅拌反应器。你现在应该了解如何间歇和连续搅拌罐生物反应器的工作, 以及这些系统如何可以应用在生物工程领域。谢谢收看

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