Lote y biorreactores continuos

Bioengineering

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Summary

Biorreactores se utilizan para cultivar los organismos en grandes volúmenes, lo que permite la producción de grandes cantidades de producto objetivo. Estos reactores pueden ser reactores por lotes, que contienen todos los componentes necesarios para el crecimiento de la célula, o reactores continuos, puertos de entrada y salida que permite la adición de medios de cultivo frescos y la eliminación de residuos celulares.

Este video presenta reactores continuos y por lotes y muestra el uso de biorreactores para crecer las bacterias en el laboratorio. Finalmente, en este video se considera cómo estos reactores se utilizan en el campo de la bioingeniería para producir productos como proteínas terapéuticas o incluso cerveza.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioingeniería. Lote y biorreactores continuos. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Biorreactores, también conocido como fermentadores, son sistemas de cultivo celular que proporcionan entornos de crecimiento adecuado. Comúnmente se utilizan dos tipos de Biorreactores en cultivo celular lote y biorreactores continuos de tanque agitado. Un reactor discontinuo es un sistema de vaso cerrado que contiene todos los componentes necesarios para el cultivo celular. Mientras que el reactor de tanque había agitado un continuo es un sistema abierto donde los componentes son activamente fluyendo dentro y fuera, que permite la eliminación de residuos y la reposición de nutrientes. Para maximizar el crecimiento celular y la densidad celular, varios parámetros del reactor puede ser controlado por ambos sistemas, incluyendo temperatura, presión, oxígeno disuelto y pH. Este video se introduce los principios fundamentales detrás de reactores continuos y por lotes y demostrar un procedimiento detallando su uso en el laboratorio.

El más simple tipo de biorreactor es el reactor discontinuo, que es un medio de cultivo celular que contiene sistema cerrado y una población de células. A medida que las células crecen, consumen los nutrientes y excretar los residuos, que se acumulan en el recipiente. También se utilizan reactores continuos de tanque agitado, que son sistemas abiertos donde nutrientes fluyen continuamente en, y residuos de células y células flujo hacia fuera. Esto permite el control de la densidad celular a través de la eliminación de residuos y la reposición de nutrientes. Antes de utilizar cualquier sistema, los componentes se esterilizan, generalmente con vapor, con el fin de mitigar la contaminación. Cuando el reactor está montado completamente, medios de cultivo estéril se añade al recipiente principal y luego inoculados con una cultura de arrancador. Durante el uso, mezcla y la oxigenación son controlados con el uso de hélices para mantener una solución homogénea donde las células están provistas de una cantidad suficiente de nutrientes y oxígeno necesario para el crecimiento. Además, los sistemas tanque fermentador a menudo están equipados con sondas para medir condiciones tales como temperatura, oxígeno disuelto y pH para asegurar las condiciones óptimas para el crecimiento. Durante el crecimiento del lote, la población de la célula pasa por fases de crecimiento clásico. En primer lugar, las células entran en fase lag, donde las células crecen lentamente como se adaptan a su entorno. A continuación, las células entran en fase de registro y dividen a un ritmo exponencial hasta que se agotan los nutrientes o subproductos tóxicos alcanzan un nivel crítico. Finalmente, se ralentiza el crecimiento y las células llegan a la fase estacionaria que ofrece la oportunidad de cosechar el producto de interés de la cultura. El producto es ya sea secretado por las células y recogen directamente en el caldo de cultivo o el producto permanece en la célula y debe ser retirado a través de lisis celular. Después de la cosecha, el reactor se prepara para un nuevo lote de cultura de célula por la limpieza y esterilización. Reactores de tanque agitado continuo exhiben patrones similares de crecimiento inicialmente y alcanzan una densidad constante de la célula en la operación de estado estacionario. Sin embargo, esta densidad de célula depende de la tasa de dilución, que es la alimentación y la velocidad efluente dividido por el volumen de reactor. Así, cuando uno acerca a la tasa de dilución, disminuye la densidad celular. Al considerar configuraciones de biorreactor, es útil a tener en cuenta que los reactores por lotes son de uso frecuente debido a su simplicidad y bajo costo, aunque la densidad celular es limitada. Reactores continuos son capaces de aumentar la densidad celular. Sin embargo, en las densidades de célula alta agregación puede ocurrir, que impide el crecimiento óptimo. Además, largos periodos de fermentación pueden aumentar el riesgo de contaminación de la cultura.

Ahora que hemos introducido reactores continuos y por lotes, vamos a examinar a un procedimiento para los dos, a partir del reactor por lotes. Antes del uso de reactor por lotes, los medios de comunicación celular se agrega a un vaso de reacción limpio. Una vez rellenado, los componentes de la embarcación son enjuagados con agua desionizada y montados. Los componentes incluyen la placa principal, la pipa de la cosecha para la cultura de muestreo, un impulsor para mantener la uniformidad de la cultura y los medios de comunicación oxigenación y sparger gas darle infusión de gas a la cultura. Asamblea continúa con la instalación de una sonda de oxigenación para medir el contenido de oxígeno disuelto en el vaso, alimentación de líneas para agregar ácido o base para el control de pH y una sonda de pH calibrado. Cuando todos los componentes están instalados, el reactor montado se esteriliza mediante autoclave. El recipiente entonces se instala en la fermentadora de la base, donde la sonda de pH y sonda de oxígeno están conectados a la computadora. Además, el sparger de gas está conectado a un rotámetro de gas, que mide el caudal de gas. En este momento, se activa el impulsor y el flujo de gas, la temperatura y la agitación del recipiente se ajustan hasta que se alcanzan los parámetros deseados. El puerto de inoculación es entonces esterilizado con alcohol y la cultura de arrancador dispensados en la vasija del reactor. Durante la operación, se toman muestras de la cultura de célula en puntos de tiempo seleccionado para construir una curva de crecimiento basada en las mediciones de densidad celular. Cuando la densidad celular alcanza el nivel deseado, la cultura se detiene y las células se cosechan desde el buque a través de una serie de pasos de filtración. El contenido remanente de recipiente se desechan utilizando lejía u otros contenidos anti-microbiana.

Similares a los reactores por lotes, continuados reactores de tanque agitado, a veces llamados chemostats, requieren sus componentes individuales para enjuagarse con agua desionizada antes de Asamblea. Una vez limpios, los componentes de la Asamblea y eje del agitador están encajados entre sí, y la vasija del reactor se llena con agua desionizada para mejorar la esterilización en autoclave. Disuelto las sondas de oxígeno, pH y temperatura son calibradas, entonces posteriormente instaladas. Con el buque totalmente montado, el reactor se esteriliza mediante autoclave. Después de la esterilización, el vaso se coloca en una chaqueta de calor para controlar su temperatura, y están conectadas las sondas calibradas. Entonces, la oferta media Damajuana y el aire con un filtro estéril están conectados antes de encender el flujo de aire. El buque está preparado con medios estériles por aflojar el tubo de la bombona y luego ejecutando el programa básico del fermentador. Como los medios de comunicación fluye en el reactor activo, el puerto de inoculación se esteriliza con alcohol antes de un mililitro de la cultura de arrancador se agrega al recipiente. Durante la operación, se toman muestras de la cultura en momentos seleccionados para medir la densidad celular. Esta información entonces se utiliza para construir una curva de crecimiento. Crecimiento óptimo se alcanza cuando la cultura alcanza el estado estacionario, lo que significa que la densidad celular permanece constante.

Ahora que han aprendido sobre lote y reactores de tanque agitado continuo, vamos a ver algunas aplicaciones prácticas de esta tecnología. La cerveza se realiza generalmente por cultivo de levadura en un sistema de reactor por lotes. Un conjunto de ingredientes básicos consisten en agua purificada, cebada malteada, lúpulo y levadura se agregan a un reactor. La cebada malteada estimula el proceso de fermentación, actuando como una fuente de alimento rico en azúcar para la levadura, que, cuando se consume, resulta en la producción de alcohol como un producto de desecho. Una vez que la mezcla ha llegado a su contenido en alcohol blanco, o fermentado para la cantidad de tiempo prescrita, puede ser filtrada, empaquetado y dejó a la edad para inducir la carbonatación antes de que se distribuye el producto final. Reactores estándar pueden también modificar para requisitos particulares para propósitos especializados. Por ejemplo, reactores especializados pueden utilizarse para aumentar la viabilidad celular de andamios de tejido a través de la célula mejorada y distribución de nutrientes mezclando constante. Al mismo tiempo, estímulo mecánico puede aplicarse al andamio para estimular la producción de matriz extracelular y dirigir activamente la diferenciación y crecimiento celular. Los andamios que han mejorado características fisiológicas y mecánicas, lo que los hace atractivos para la implantación.

Sólo has visto video de Zeus en lote y continuo reactores agitados. Ahora deben entender cómo funcionan por lotes y biorreactores continuos de tanque agitado, y cómo estos sistemas pueden aplicarse en el campo de la bioingeniería. Gracias por ver.

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