Summary
Fermentorer bruges til at øge kultur udbytte og produktivitet af gensplejsede celler. Efter screening af flere mikrobiel eller animalsk cellekultur kandidater i rystekolber, er det næste logiske trin er at øge den valgte kultur biomasse med fermentoren. Denne video viser opsætningen og driften af en typisk benchtop bioreaktor system.
Abstract
Gæring systemer anvendes til at tilvejebringe et optimalt vækstmiljø for mange forskellige typer af cellekulturer. Evnen ydes af fermentorer til omhyggeligt at kontrollere temperatur, pH og koncentrationer af opløst oxygen i særdeleshed gør dem afgørende for en effektiv vækst og udtryk af fermentationsprodukterne stor skala. Denne video vil kort beskrive fordelene ved fermentoren over ryste kolben. Det vil også identificere de vigtigste komponenter i en typisk benchtop gæring, og giver grundlæggende instruktion om opsætning af fartøjet og kalibrering af sine sonder. Seeren vil blive fortrolig med steriliseringsprocessen og vist, hvordan man pode vækstmediet i beholderen med kulturen. Grundlæggende begreber i drift, prøveudtagning og høst vil også blive demonstreret. Simpel dataanalyse og systemet oprydning vil også blive drøftet.
Introduction
Grundlæggende gæring teknologi er en udvidelse af den simple rystekolbe teknik til voksende kulturer. Det voksede ud af et ønske om at styre vækstmiljøer for levende kulturer i en mere komplet og kvantitativ måde. Batch kultur rystekolber er normalt begrænset af upræcis styring af temperaturen. Temperatur ensartethed i en inkuberes shaker eller varmt rum er stærkt varierende, undertiden forvilde 5 ° C eller mere fra den tiltænkte setpunkt. Da rystekolbe normalt omrøres ved en fast hastighed, oxygenoptagelse og gasudveksling er begrænset. Når den tilgængelige omgivende ilt er opbrugt, de fleste kulturer undlader at trives. Der er ingen pH-regulering i rystekolber. I mange tilfælde, hvis kulturen ikke er begrænset af råmateriale, bliver det sure til det punkt skade kulturen og respiration bremser dramatisk. De fleste rystekolbekulturer også køres som en "batch", hvilket betyder, at de bliver fodret én gang ved eller nær ved begyndelsen af kulturerne inoculation. Efter denne indledende carbonkilde er forbrugt, kulturen stopper med at vokse. I nogle tilfælde dets metabolisme kan ændre og begynde at forbruge andre metabolitter i dyrkningsmediet, undertiden ændre karakteristika resulterende biomasse eller protein. Rystekolber er også normalt omfattet medier fordampningstab i varmere kultur miljøer, typisk 10% af volumen pr 24 timer ved 37 ° C. Dette tab ændrer kulturens densitet og forbyder længere tids drift af systemet. Endelig kan brugeren støde skumdannelse fra medierne efter omrøring. Forekomsten af skum i luftrummet over kulturen vil begrænse gas udveksling og yderligere vækst knæ.
Den grundlæggende gæring system er designet til at løse alle disse begrænsninger. Omhyggelig temperaturregulering opnås i fermenteringsbeholdere ved anvendelse af løbehjulet omrøring og en varmekappe. En sensor indsat i skibet og feedback kontrol af opvarmning og afkøling af denne jakke normaltresultater i temperaturkontrol ± 0,1 ° C omkring indstillingspunktet. Stationære fermentorer generelt give styring af pH via flydende reagens tilsætning gennem en pumpe. PH-værdien overvåges kontinuerligt i et forsøg på at holde miljøet optimale for cellevækst. Korrekt beluftning opretholdes ved den førnævnte blanding pumpehjul eller ved infusion af luft eller oxygen suppleres gas direkte ind i kulturen. Med shear-følsomme kulturer, ilt suppleret gas er den primære mekanisme til opretholdelse af ilt-niveau i kulturen. Måling af ilt i opløsning opnås sædvanligvis ved en polarografisk probe, som normalt ikke er til rådighed til brug i rystekolber. Det er også muligt at kontinuerligt eller periodisk tilføje foder til fartøjet for at fastholde væksten i en lineær eller eksponentiel måde. Udgangen gaskondensator giver en kold overflade for damp i udstødningsgasstrømmen at kondensere, og dermed bevare kultur volumen og tæthed. Periodisk tilsætning af antiskummiddel overfladeaktivt aktiveredeved konduktivitetssonden i kultur, reducere skum på overfladen og tillader gasudveksling.
Skibet, med alle prober, fittings, skovlhjul, høst rør og slanger, er samlet og steriliseres i en standard autoklave. Efter den endelige sonde kalibreringer og stabilisering til driftsmiljøet, er kulturen sættes til beholderen. Systemet kan derefter anvendes til at karakterisere kultur på en måde, der er mere kvantitativ og præcis end med en rystekolbe metode. Stram styring af temperatur, pH, iltindhold, foderforbrug, flydende inddampning og skumniveauer alle bidrage til en meget højere biomasse og bedre proteinudbytte.
Protocol
- Begynd betjening med skib setup. En konventionel fermentor har følgende komponenter, der skal installeres (figur 1):
- pH-sonde - til måling af pH i den levende kultur. Kalibrere sonden før installation og sterilisere med fartøjet. Installer sonde i hovedpladen.
- pO 2 sonde - til måling af opløst ilt i beholderen under gæringen. Installer i hovedpladen.
- Harvest rør til prøvetagning kulturen. Installer denne justerbar højde komponent i hovedpladen.
- Gasindblæsningsenhed - bor på bunden af beholderen og giver gas infusion til kulturen. Hook sprøjtekransen op til gas kilde på fermentoren og montere i hovedpladen.
- Vingehjulsaksel og impeller - pumpehjulet rører kultur og er afgørende for opretholdelsen af kultur ensartethed i beholderen.
- Udstødning gaskondensator - for at bremse tab ved fordampning i beholderen ved at køle røggassen sti.
- Reagenspumpe linjer for pH-kontrol eller foder tilføjelse.
- Rengør beholderen og hovedpladen med sæbe og vand. En blød børste anbefales til skrubning skibet og hovedpladen. Blegemiddel eller rengøringsmidler med klor kan ikke bruges til at rense beholderen.
- Hvis mediet ikke er varme labil, føje det til ren beholder. Kun tilføje indtil maksimal arbejdstid volumen er nået. I dette tilfælde maksimale arbejdstid volumen er 3.3 L til en 5 L samlet volumen fartøj.
- Monter fartøj hovedpladen og sikrer, at o-ring sidder korrekt.
- Installer udstødningsgas kondensatoren.
- Installer antiskummidlet sonden i dens 10 mm port.
- Installer høst rør i sin 10 mm port. Sætte et stykke slange på toppen af det og klemme det.
- Installer slange og en 0,20 um filter på eftergydningsvand indløb og derefter klemme dette fra.
- Kalibrer pH-sonde:
- Saml 2 reference buffere i små bægre, en vask flaske og et ekstra wash bægerglas.
- Hook pH sonde op til fermentoren og tænde fermentoren på.
- Rul til den pH-parameter og ved hjælp af knappen menuen ved at rulle til 'Cal' indstilling, og tryk på 'Enter'.
- Vælg '2 'for 2 punkts kalibrering.
- Afvask sondens spids og nedsænkes i den lave henvisning buffer. Værdien på fermentoren vil stabiliseres. Ved hjælp af + og - tasterne, justere den viste værdi til at matche værdien af pH henvisning buffer. Når det stopper med at blinke, skal du trykke på 'Enter'.
- Vask sonden ud og sæt det ind i anden henvisning buffer. Lad værdien stabiliseres, og brug derefter tastaturet til at gøre den viste værdi svarer til den høje henvisning buffer værdi. Tryk på 'Enter' for at bekræfte.
- Vask sondens spids og frakobl den fra fermentoren. Sæt beskyttelseshætten på tilslutningen og installere det i hovedpladen.
- Åbn pO 2 sonden og tjek for at sikre, at der ikkeer tilstrækkelig elektrolyt til at dække spidsen. Hvis ikke, tilføje nogle til reservoiret, og luk den op igen.
- Installer pO 2 sonde i hovedpladen og sørg for, at autoklaven hætten er sat på at beskytte sine elektriske forbindelser. Det vil være kalibreret efter sterilisering.
- Anskaf en flaske til reagens foder med stigeroer og luftfilter. Tilføj pumpe slangen til stigrøret havnen og fastgøre den anden ende til indgangsporten på fermentoren.
- Placer slange på alle ubrugte porte derefter klemme slangen fra.
- Installer en 0,45 um filter på udstødningsgassen kondensatoren. Dette filter sikrer, at fartøjet ikke presse i autoklaven.
- Kontroller at alle rør, der går under niveauet for medierne er fastspændt for at forhindre mediet i at komme ud.
- Sæt beholderen i autoklaven til 25 til 30 minutter ved 121 ° C, flydende cyklus. Forsigtig: Når det kommer ud, vil det være meget varmt.
- Installer skibet på fermentoren base.
- Tilslut pHsondekablet.
- Fastgør pO 2 sondekablet.
- Hæng sprøjtekrans op til gas tilsætning rotameter.
- Sterilely tilsættes 1 M NaOH reagens til flasken med stigrøret og installere pumpehovedet på basen pumpehoved spindel.
- Sæt temperaturføleren i termolommen på hovedpladen. Sikre, at det går hele vejen til bunden af termolommen.
- Sænk agitation arm på fartøjer pumpehjulet kobling.
- Sørg for, at fermentoren er tændt.
- Kontroller, at vand er til rådighed til fermentoren.
- Tænd for lufttilførslen til fermentoren.
- Rul til den temperatur parameter og sæt temperaturen til 37 ° C. Tryk på knappen 'Enter' for at starte temperaturkontrol. Skibet vil varme op i 15 minutter eller mindre.
- Drej gasstrømmen til 1 beholdervolumen medier per minut eller mindre. Til denne opsætning, gasstrømmen 3 L / min. Bobler skal vises i bunden.
- Rul til den agitation parameter og sat til 300 rpm. Tryk på 'Enter' for at tænde for agitation.
- Når temperaturen har nået 37 ° C, skal du rulle til pH-parameter og sæt den til 6,8. Drej pH-kontrol ved at trykke på knappen 'Enter'.
- Indstil agitation til den maksimale hastighed på 1.000 rpm for turen.
- Sørg for, at pO 2 sonden er polariseret korrekt at vise korrekte værdier. Efter 2 timer, skal du rulle til PO 2 parameter, og brug knappen 'Menu' for at vælge 'Kalibrer Funktion' og vælg 1 point kalibrering.
- Efter 15 minutter, skal du bruge markører for at indstille værdien til 100 og tryk på 'Enter'. Dette vil kalibrere pO 2.
- Rul til agitation og sat til 300 rpm.
- Brug af knappen 'Menu' dreje 'Cascade' til 'til' på agitation menuen. Dette vil øge hastigheden på agitation i et forsøg på at hugge op luftbobler og tvinge mere ilt i opløsning som væksten i efterspørgslen stiger. Rul til PO 2 parameter og sæt værdien til 30 år. Tryk på knappen 'Enter' for at starte PO2.
- Start kontrol softwarepakke på pc'en.
- Når proberne er kalibreret, agitation er stabilt ved 300 rpm, temperaturen er 37 ° C, og pH er tæt på 6,8, det er tid til at pode. Ved hjælp af alkohol, sterilisere port, der skal anvendes til podning.
- Tegn inokulum i en sprøjte og tilføje den til den steriliserede port. Luk porten.
- Markere tidspunktet for podning i en logbog.
- Det er også vigtigt at tage en prøve på sterilisering tid. Steriliser afslutningen af høsten rør rør med alkohol.
- Åbn klemmen omfatter høsten port og bruge en sprøjte til at udtrække en prøve. Denne første prøve er normalt kasseres, fordi den har siddet i røret.
- Brug en anden sprøjte til at trække en anden prøve.
- Med en tredje sprøjten skubbes luft tilbage gennem røret for at fjerne så meget dødvolumenfra linjen og klemme linjen slukket.
- Bestem celletaethed og pH og notér værdierne. Med mikrobielle kulturer, er det nyttigt at logge værdier hver time. Interval er kultur afhængig.
- Harvest metode afhænger af intentionen om kulturen, efter væksten er afsluttet. I dette tilfælde prøve kulturen en endelig tid til at modtage endpoint henblik celletæthed og eventuel pH eller måling af våd cellevægt. Åbn hovedpladen bortskaffes indholdet i en udpeget "kill tank" med blegemiddel eller andre antimikrobielle stoffer.
Representative Results
Bioreaktoren kan køres med eller uden IRIS software. Men at indfange data, er det bedst at bruge softwaren. Før tilsætning af bakterier, skal pH og ilt sensorer kalibreret Rotorhastigheden sættet og den indstillede temperatur. I figur 2 er data output for en bioreaktorkørsel fremlagt. Temperaturen blev sat til 30 ° C, pumpehjulet hastighed på 200 rpm. Parametrene kan være forskellig for hvert eksperiment, men før tilsætning af bakterier, bør systemet være i stabil tilstand. I figur 3 er ændringen i oxygenkoncentration med tilsætning af bakteriekulturen vist. SET-point for dette eksperiment er 37 ° C, omrører ved 200 rpm O 2 til 70%. På tidspunktet 19:20, fødepumpen leverer den bakterielle podekultur ved en OD på 0,1 forårsager en umiddelbart falde i O 2-niveau. Bioreaktoren reagerer på skiftende O 2-niveau med en stigning i luftstrømmen og Rotorhastigheden. Than set-point for stigningerne er sat i kaskade (trin 35). PH i reaktoren blev overvåget i realtid, idet pH faldende derefter øge som påvist ved pH linje udsving over tid (figur 4). Hele løb kan analyseres og parametre justeret for efterfølgende eksperimenter.
Figur 1. Benchtop bioreaktor med alle dele er mærket og tilsluttet. Denne figur viser tankreaktor ved begyndelsen af et løb. De dele af reaktoren er mærket og omfatter sensorer, løbehjul, temperaturmåler, foder & prøveudtagning flasker, udstødningsporten, luft manometer, varmekappe, kondensator tårn og betjeningspanel.
Figur 2. Screen billede af bioreaktor software i starten af løb. Ved starten af en omrørt tank, køre, blev temperaturen indstillet til 30 ° C (gul linje), Rotorhastigheden ved 200 rpm (rød linje), pH på 6,5 (grøn linie) og pO 2 på 57,2% (blå linje). Klik her for at se større figur .
Figur 3. Screen billede af bioreaktor software under kørslen som ilt falder. Når kulturen er i aktiv vækst fase, det forbruger ilt og mængden af ilt i reaktoren faldet (blå linie). Ved at øge Rotorhastigheden kan mere ilt tilsættes til kulturen (rød linje). Klik her for at se større figur .
Figur 4.. Screen billede af bioreaktor software viser pH-ændring over tid. PH af kulturen overvåges løbende og over tid, det falder som mælkesyre produceres og derefter stiger som er tilsat base til bioreaktoren (blå linje). Klik her for at se større figur .
Discussion
Tankomrøring bioreaktorer er standarden i den bioteknologiske industri og har været brugt i over 40 år 1. Den lille tankreaktor har været vigtigt for opskalering, skala-down, stamme optimering, karakterisering og procesudvikling. Det kan også have en vigtig rolle i udviklingen af individualiseret medicin 2. Den lille skala bioreaktor er mest ligner in situ-betingelser for cellevækst, fordi det kan overvåges og optimeres gennem en løbetur. Oftest er de første eksperimenter udført ved hjælp rysteflasker men betingelserne i den lille skala bioreaktor adskiller sig væsentligt fra rystekolben. I et eksperiment fandt vi, at betingelserne for optimal vækst af E. coli og fremstilling af grønt fluorescerende protein (GFP) i rystekolbe ikke oversætte til den omrørte beholder (upublicerede data).
Andre metoder til voksende celler i stor skala omfatter rulleflasker, enkelt uSE vippeplatform bioreaktorer 3 og større engangsbrug bioreaktorer med arbejder mængder fra 50 til 5.000 L. Hver metode giver udfordringer for opskalering, men har fundet et sted i produktionen. Engangsbrug vippeplatform bioreaktor svarer til den omrørte beholder, og giver en reguleret miljø. Den adskiller sig fra den omrørte beholder i denne blanding opstår på grund af en vippende bevægelse til at generere bølger for at forhindre celle-bundfældning og give iltning. Hydrodynamikken for metoden er forskellige fra den omrørte tank og maksimalt volumen er begrænset til 1,000 L. Forskellene kan påvirke cellevækst og produktproduktion. Andre engangsbrug systemer kombinerer den omrørte tank med den disponible reaktor at give en platform med et minimum af infrastruktur og tilhørende overhead, og evnen til high-throughput bioforarbejdning 4.
Nye brugere af stationære Bioreaktorer kan have problemer med at bestemme første programmeringer for pH, pO 2 og temperatur, men offentliggjort forskning kan refereres til denne information 5, 6, 7, 8, 9. Med bakteriekulturer især anbefales det at starte omrøring ved den samme hastighed som rystekolbe og temperaturen på samme nominelle værdi. Culture pH fra tidligere rystekolber kørsler kan også anvendes som et udgangspunkt. Indstilling af Po 2 værdi er sværere og bestemmes typisk empirisk. Men der begynder med 50% pO 2 er en anbefalet udgangspunkt.
Disclosures
Forfatter A. Magno er en medarbejder i ATR Biotech, der producerer reagenser og instrumenter, der anvendes i denne artikel.
Acknowledgments
Dette projekt var støtte i en del af Johns Hopkins University, Kontoret for Provost gennem Gateway Science Initiative.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LB broth | Sigma | L3022 | |
| ampicillin | Sigma | A1593-25G | |
| LB broth | Sigma | L3022 | |
| antifoam 204 | Sigma | A8311 | |
| 1 M Sodium Hydroxide | Sigma | 38215-1EA-R | |
| Reference Buffer, pH 4.00 | Sigma | B5020 | |
| Reference Buffer, pH 7.00 | Sigma | B4770 | |
| pO2 probe electrolyte | Broadley James | AS-3140-C30-0025 | |
| 0.45 micron filter | Cole Parmer | EW-02915-22 | |
| 0.22 micron filter | Cole Parmer | EW-29950-40 | |
| Luer Lock syringe, 10 mL | Cole Parmer | EW-07940-12 | |
| Minifors Bioreactor | Infors HT | B-Pack 5.0 | |
| Air Admiral air pump | Cole Parmer | EW-79202-00 | |
| 1175 PD Chilling circulator | VWR | 13721-204 |
References
- Shuler, M., Kargi, F. Bioprocess Engineering Basic Concepts. , 2nd, Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ. (2002).
- Hambor, J. Bioreactor Design and Bioprocess Controls for Industrialized Cell Processing. BioProcess International. 10 (6), 22-33 (2012).
- Wave [Internet]. , GE Life Sciences. Available from: http://www.gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog/en/GELifeSciences-US/brands/wave (2012).
- Xcellerex [Internet]. , GE Life Sciences. Available from: http://www.xcellerex.com/platform-xdr-single-use-bioreactors.htm (2012).
- Julien, C., Whitford, W. Bioreactor, Monitoring, Modeling and Simulation. BioProcess International. 5 (01), S10-S17 (2007).
- Fike, R. Nutrient Supplementation Strategies for Biopharmaceutical Production. Part 1: Identifying a Formulation. BioProcess International. 7 (11), 46-52 (2009).
- Jana, S., Deb, J. K. Strategies for efficient production of heterologous proteins in Escherichia coli. Appl Microbiol Biotechnol. 67, 289-298 (2005).
- Wang, Z., Ly, M., Zhang, F., Zhong, W., Suen, A., Hickey, A. M., Dordick, J. S., Linhardt, R. J. E. coli K5 fermentation and the preparation of heparosan, a bioengineered heparin precursor. Biotechnol. Bioeng. 107, 964-973 (2010).
- Baltz, R. H., Demain, A. L., Davies, J. E. Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology. , 3rd, ASM Press. Washington DC. (2010).
- Bioreactors [Internet]. , Applied Technical Resources. Available from: http://www.atrbiotech.com/pdfs/bioreactors.pdf (2012).
- Infors, H. T. Minifors operating Manual and user guide. , Bottmingen, Switzerland. Forthcoming.
