Batch- und kontinuierliche Bioreaktoren

Bioengineering

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Summary

Bioreaktoren werden verwendet, um Organismen in großen Mengen, wodurch die Produktion von großen Mengen des Zielprodukts wachsen. Diese Reaktoren kann Batch-Reaktoren, die alle Komponenten für das Zellwachstum enthalten, oder kontinuierlichen Reaktoren, die Einlass und Auslass Häfen für die Zugabe von frischen Wachstumsmedien und die Beseitigung von Zelle ermöglicht haben.

Dieses Video präsentiert Batch- und kontinuierliche Reaktoren und veranschaulicht die Verwendung von Bioreaktoren Bakterien im Labor wachsen. Schließlich hält dieses Video, wie diese Reaktoren im Bereich Biotechnologie verwendet werden, um Produkte wie Protein Therapeutics oder sogar Bier zu produzieren.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioengineering. Batch- und kontinuierliche Bioreaktoren. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Bioreaktoren, auch bekannt als Fermenter sind Zellkultursysteme, die geeignete Wachstum Umgebungen bieten. Zwei Arten von Bioreaktoren werden häufig in Zellkultur, Batch- und kontinuierliche Rührbehälters Bioreaktoren verwendet. Ein Batch-Reaktor ist ein geschlossenen Gefäß-System, die alle für die Zellkultur erforderlichen Komponenten enthält. Während eine kontinuierliche Tank Reaktor gerührt ist ein offenes System wo Komponenten aktiv ein-und fließen ermöglicht die Beseitigung von Abfällen und den Nachschub an Nährstoffen. Zur Maximierung Zellwachstum und Zelldichte, mehrere Reaktor-Parameter gesteuert werden, für beide Systeme, einschließlich Temperatur, Druck, gelöste Sauerstoff und pH-Wert. Dieses Video stellen die grundlegenden Prinzipien hinter Batch- und kontinuierliche Reaktoren und zeigen eine Vorgehensweise detailliert ihren Einsatz im Labor.

Die einfachste Art der Bioreaktor ist die Batch-Reaktor, der ein geschlossenes System mit Zellkulturmedien und einer Bevölkerung der Zellen ist. Da die Zellen wachsen, sie verbrauchen die Nährstoffe und Abfälle, die im Behälter sammelt sich scheiden. Kontinuierliche Rührbehälters Reaktoren werden auch verwendet, das sind offene Systeme, wo Nährstoffe fließen kontinuierlich, und Zellen und Zellen ausfließen verschwenden. Dies ermöglicht die Steuerung der Zelldichte über die Beseitigung von Abfällen und den Nachschub an Nährstoffen. Vor dem Einsatz der beiden Systeme sind die Komponenten sterilisiert, in der Regel mit Dampf, um Kontamination zu mildern. Wenn der Reaktor komplett montiert ist, ist sterile Nährmedien hinzugefügt, das Hauptschiff und dann mit einer Starterkultur beimpft. Während des Gebrauchs mischen und Oxygenierung gesteuert werden, mit dem Einsatz der Laufräder, eine homogene Lösung zu erhalten, wo Zellen mit ausreichenden Mengen von Nährstoffen und Sauerstoff benötigt für Wachstum versorgt werden. Darüber hinaus Fermenter Tanksysteme sind oft mit Sonden ausgestattet, um Bedingungen wie Temperatur messen, gelöste Sauerstoff und pH-Wert auf optimale Wachstumsbedingungen zu gewährleisten. Während Batch Wachstum erfährt die Zellpopulation klassische Wachstumsphasen. Geben Sie zuerst die Zellen Lag-Phase, wo Zellen langsam wachsen, wie sie an ihre Umgebung anzupassen. Zellen als nächstes geben Sie Log-Phase und teilen mit einer exponentiellen Rate, bis die Nährstoffe erschöpft sind oder giftige Nebenerscheinungen ein kritisches Niveau erreichen. Schließlich Wachstum verlangsamt und Zellen erreichen die stationäre Phase bietet die Möglichkeit, das Produkt von Interesse aus der Kultur zu ernten. Das Produkt ist entweder von den Zellen sezerniert und direkt aus der Kultur-Brühe gesammelt, oder das Produkt bleibt in der Zelle und muss per lyse der Zelle entfernt werden. Nach der Ernte wird der Reaktor für eine neue Zelle Kultur Charge von Reinigung und Sterilisation vorbereitet. Kontinuierliche Rührbehälters Reaktoren zunächst ähnliche Wachstumsmuster aufweisen und eine konstante Zelldichte im stationären Betrieb zu erreichen. Diese Zelldichte ist jedoch abhängig von der Verdünnung, die zu- und Abwasser Preis dividiert durch das Reaktorvolumen ist. So wie die Verdünnung einer nähert, nimmt die Zelldichte. Als Bioreaktor-Konfigurationen in Betracht ziehen, ist es hilfreich, im Hinterkopf behalten, dass Batch-Reaktoren häufig, wegen ihrer Einfachheit verwendet werden und niedrige Kosten, obwohl Zelldichte begrenzt ist. Kontinuierliche Reaktoren sind in der Lage, Zelldichte erhöhen. Allerdings kann bei hohen Zelldichten Aggregation auftreten, optimales Wachstum verhindert. Darüber hinaus können längere Gärung erhöht das Risiko einer Kontamination der Kultur.

Nun, da wir Batch- und kontinuierliche Reaktoren eingeführt haben, betrachten wir ein Verfahren für beide, beginnend mit der Batch-Reaktor. Vor dem Batch-Reaktor Einsatz werden eine saubere Reaktionsgefäß Zelle Medien hinzugefügt. Einmal ausgefüllt, werden die Schiffskomponenten mit entionisiertem Wasser gespült und montiert. Die Komponenten umfassen die Kopfplatte, die Ernte-Rohr für Kultur, sampling, ein Laufrad für die Aufrechterhaltung der Einheitlichkeit der Kultur und Medien Sauerstoffversorgung und Gas Sparger, Gas-Infusion zur Kultur zu bieten. Montage geht weiter mit der Installation einer Sauerstoffversorgung Sonde zur Messung des gelösten Sauerstoffgehalt im Behälter, Zuleitungen für das Hinzufügen von Säure oder Base, pH-Wert, zu kontrollieren und eine kalibrierte pH-Sonde. Wenn alle Komponenten installiert sind, wird der montierte Reaktor sterilisiert mit einem Autoklaven. Das Schiff wird dann in den Fermenter Basis installiert wo die pH-Sonde und Sauerstoff Sonde an den Computer angeschlossen sind. Darüber hinaus ist der Gas-Sparger mit ein Rotameter Gas verbunden, Gas-Durchfluss misst. Zu diesem Zeitpunkt das Laufrad eingeschaltet ist und die Gasdurchfluss, Temperatur und Schiff Erregung werden angepasst, bis der gewünschte Parameter erreicht sind. Die Inokulation Port wird dann mit Alkohol sterilisiert und die Starterkultur verzichtet in den Reaktorbehälter. Während des Betriebs werden Zellproben Kultur zu ausgewählten Zeitpunkten eine Wachstumskurve basierend auf Zelle Dichtemessungen konstruieren gezeichnet. Wenn die Zelldichte das gewünschte Niveau erreicht, die Kultur wird gestoppt und die Zellen werden aus dem Gefäß durch eine Reihe von Filtrationsschritte geerntet. Der Restinhalt Behälter entsorgt werden mit Bleichmittel oder andere antimikrobielle Inhalt.

Ähnlich wie Batch-Reaktoren, kontinuierliche Rührbehälters Reaktoren, manchmal genannt Chemostats, erfordern ihre Einzelkomponenten mit entionisiertem Wasser vor der Montage gründlich gespült werden. Einmal gereinigt, verfügen die Rührer Montage- und Antriebswelle Komponenten zusammen, und das Reaktorgefäß gefüllt mit entionisiertem Wasser Sterilisation beim Autoklavieren zu verbessern. Gelöste Sauerstoff, pH-Wert und Temperatur-Sonden sind kalibriert und dann nachträglich eingebaut. Mit dem Schiff komplett montiert ist Reaktor mit einem Autoklaven sterilisiert. Nach der Sterilisation das Schiff befindet sich in einem Hitze-Jacke, die Temperatur zu kontrollieren und die kalibrierten Sonden zusammenhängen. Dann sind die Medienversorgung Korbflasche und Luft mit einem sterilen Filter vor dem Einschalten des Luftstroms verbunden. Das Schiff ist mit sterilen Medien durch Lösen der Korbflasche Schlauch, und dann läuft das Programm grundlegende Fermenter grundiert. Die Medien in den aktiven Reaktor strömt, wird die Impfung Port mit Alkohol sterilisiert, bevor das Schiff ein Milliliter Starterkultur hinzugefügt wird. Während des Betriebs sind Kultur zu ausgewählten Zeitpunkten Proben, Zelldichte zu messen. Diese Daten werden dann verwendet, um eine Wachstumskurve erstellen. Optimales Wachstum wird erreicht, wenn die Kultur Steady-State erreicht, was bedeutet, dass die Zelldichte konstant bleibt.

Nun, da Sie über Batch und kontinuierliche Rührbehälters Reaktoren gelernt haben, schauen Sie bitte einige praktischen Anwendungen dieser Technologie. Bierbrauen ist in der Regel durch den Anbau von Hefe in einem Batch-Reaktor-System durchgeführt. Eine Reihe von grundlegenden Zutaten bestehend aus gereinigtem Wasser, Gerstenmalz, Hopfen und Hefe werden hinzugefügt, um einen Reaktor. Die gemälzte Gerste stimuliert den Fermentationsprozess fungiert als Zucker-reiche Nahrungsquelle für die Hefe, die beim Verzehr, ergibt sich bei der Herstellung von Alkohol als Abfallprodukt. Sobald die Mischung erreicht sein Ziel Alkoholgehalt oder fermentiert für die vorgeschriebene Zeit hat, kann es werden gefiltert, verpackt und Links zu alt sein, um Kohlensäure zu induzieren, bevor das Endprodukt verteilt wird. Standard-Reaktoren können auch für spezielle Zwecke angepasst werden. Beispielsweise können spezialisierte Reaktoren verwendet werden, um die Zellviabilität Gewebe Gerüste durch verstärkte Zelle und Nährstoffverteilung durch die ständige Vermischung zu erhöhen. Mechanische Stimulation kann gleichzeitig genutzt werden, um das Gerüst, um ermutigen extrazellulären Matrix Produktion und aktiv lenken, Zellwachstum und Differenzierung. Die daraus resultierende Gerüste wurden verbessert, physiologischen und mechanische Eigenschaften, so dass sie attraktiv für die Implantation.

Sie haben nur Jupiters Video auf Batch- und kontinuierliche gerührten Reaktoren beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie Batch- und kontinuierliche Rührbehälters Bioreaktoren funktionieren und wie diese Systeme im Bereich Biotechnik angewendet werden können. Danke fürs Zuschauen.

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