Kesikli ve Sürekli Biyoreaktörler
Biyoreaktörler, organizmaları büyük hacimlerde büyütmek için kullanılır, böylece hedef ürünün kütle miktarlarının üretilmesini sağlar. Bu reaktörler,…
Fermentör olarak da bilinen biyoreaktörler, uygun büyüme ortamları sağlayan hücre kültürü sistemleridir. Hücre kültüründe, kesikli ve sürekli karıştırılmış tank biyoreaktörlerinde yaygın olarak iki tip biyoreaktör kullanılır. Kesikli reaktör, hücre kültürü için gerekli tüm bileşenleri içeren kapalı bir kap sistemi iken, sürekli karıştırılmış bir tank reaktörü, bileşenlerin aktif olarak içeri ve dışarı aktığı, atıkların uzaklaştırılmasını ve besin maddelerinin yenilenmesini sağlayan açık bir sistemdir. Hücre büyümesini ve hücre yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak için, her iki sistem için sıcaklık, basınç, çözünmüş oksijen ve pH dahil olmak üzere birden fazla reaktör parametresi kontrol edilebilir. Bu video, kesikli ve sürekli reaktörlerin arkasındaki temel ilkeleri tanıtacak ve bunların laboratuvarda kullanımını detaylandıran bir prosedürü gösterecektir.
En basit biyoreaktör türü, hücre kültürü ortamı ve bir hücre popülasyonu içeren kapalı bir sistem olan kesikli reaktördür. Hücreler büyüdükçe besinleri tüketirler ve damarda biriken atıkları dışarı atarlar. Besin maddelerinin sürekli olarak içeri aktığı ve hücrelerin ve hücre atıklarının dışarı aktığı açık sistemler olan sürekli karıştırılmış tank reaktörleri de kullanılır. Bu, atıkların uzaklaştırılması ve besin maddelerinin yenilenmesi yoluyla hücre yoğunluğunun kontrol edilmesini sağlar. Her iki sistemin kullanımından önce, bileşenler kontaminasyonu azaltmak için genellikle buhar kullanılarak sterilize edilir. Reaktör tamamen monte edildiğinde, ana kaba steril kültür ortamı eklenir ve daha sonra bir başlangıç kültürü ile aşılanır. Kullanım sırasında, hücrelere büyüme için gerekli olan yeterli miktarda besin ve oksijenin sağlandığı homojen bir çözelti sağlamak için karıştırma ve oksijenasyon çarklar kullanılarak kontrol edilir. Ek olarak, fermentör tankı sistemleri, büyüme için en uygun koşulları sağlamak için sıcaklık, çözünmüş oksijen ve pH gibi koşulları ölçmek için genellikle problarla donatılmıştır. Toplu büyüme sırasında, hücre popülasyonu klasik büyüme aşamalarından geçer. İlk olarak, hücreler, hücrelerin çevrelerine adapte olurken yavaş yavaş büyüdüğü gecikme aşamasına girer. Daha sonra, hücreler günlük fazına girer ve besinler tükenene veya toksik yan ürünler kritik bir seviyeye ulaşana kadar üstel bir oranda bölünür. Sonunda, büyüme yavaşlar ve hücreler, kültürden ilgilenilen ürünü hasat etme fırsatı sağlayan durağan faza ulaşır. Ürün ya hücreler tarafından salgılanır ve doğrudan kültür suyundan toplanır ya da ürün hücre içinde kalır ve hücre lizisi yoluyla uzaklaştırılmalıdır. Hasattan sonra reaktör, temizleme ve sterilizasyon yoluyla yeni bir hücre kültürü partisi için hazırlanır.
Sürekli karıştırılmış tank reaktörleri, başlangıçta benzer büyüme modelleri sergiler ve kararlı durum çalışmasında sabit bir hücre yoğunluğuna ulaşır. Bununla birlikte, bu hücre yoğunluğu, besleme ve çıkış suyunun reaktör hacmine bölünmesiyle elde edilen seyreltme hızına bağlıdır. Böylece seyreltme hızı bire yaklaştıkça hücre yoğunluğu azalır. Biyoreaktör konfigürasyonları göz önüne alındığında, hücre yoğunluğu sınırlı olmasına rağmen, kesikli reaktörlerin basitlikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle sıklıkla kullanıldığını akılda tutmak faydalı olacaktır. Sürekli reaktörler hücre yoğunluğunu artırabilir. Bununla birlikte, yüksek hücre yoğunluklarında agregasyon meydana gelebilir ve bu da optimum büyümeyi engeller. Ek olarak, daha uzun fermantasyon süreleri kültür kontaminasyonu riskini artırabilir.
Artık kesikli ve sürekli reaktörleri tanıttığımıza göre, kesikli reaktörden başlayarak her ikisi için de bir prosedürü inceleyelim. Kesikli reaktör kullanımından önce, hücre ortamı temiz bir reaksiyon kabına eklenir. Doldurulduktan sonra, kap bileşenleri deiyonize su ile durulanır ve monte edilir. Bileşenler, kafa plakasını, kültür örneklemesi için hasat borusunu, kültür homojenliğini ve ortam oksijenasyonunu korumak için bir pervaneyi ve kültüre gaz infüzyonu sağlamak için gaz püskürtücüyü içerir. Montaj, kaptaki çözünmüş oksijen içeriğini ölçmek için bir oksijenasyon probunun kurulumu, pH'ı kontrol etmek için asit veya baz eklemek için besleme hatları ve kalibre edilmiş bir pH probu ile devam eder. Tüm bileşenler kurulduğunda, monte edilen reaktör bir otoklav kullanılarak sterilize edilir. Kap daha sonra hem pH probunun hem de oksijen probunun bilgisayara bağlandığı fermentör tabanına monte edilir. Ek olarak, gaz püskürtücü, gaz akış hızını ölçen bir gaz rotametresine bağlanır. Bu sırada pervane açılır ve istenen parametreler elde edilene kadar gaz akışı, sıcaklık ve kap çalkalaması ayarlanır. Aşılama portu daha sonra alkolle sterilize edilir ve başlangıç kültürü reaktör kabına dağıtılır. Çalışma sırasında, hücre yoğunluğu ölçümlerine dayalı bir büyüme eğrisi oluşturmak için hücre kültürü numuneleri seçilen zaman noktalarında çizilir. Hücre yoğunluğu istenen seviyeye ulaştığında, kültür durdurulur ve hücreler bir dizi filtrasyon adımından geçirilerek kaptan toplanır. Kalan kap içeriği, ağartıcı veya diğer antimikrobiyal içerikler kullanılarak atılır.
Kesikli reaktörlere benzer şekilde, bazen kemostat olarak adlandırılan sürekli karıştırılmış tank reaktörleri, montajdan önce tek tek bileşenlerinin deiyonize su ile iyice durulanmasını gerektirir. Temizlendikten sonra, karıştırıcı tertibatı ve tahrik mili bileşenleri birbirine takılır ve otoklavlama sırasında sterilizasyonu iyileştirmek için reaktör kabı deiyonize su ile doldurulur. Çözünmüş oksijen, pH ve sıcaklık probları kalibre edilir ve ardından kurulur. Kap tamamen monte edildiğinde, reaktör bir otoklav kullanılarak sterilize edilir. Sterilizasyondan sonra, kap sıcaklığını kontrol etmek için bir ısı ceketi içine yerleştirilir ve kalibre edilmiş problar bağlanır. Ardından, hava akışını açmadan önce medya damacana ve steril filtreli hava beslemesi bağlanır. Kap, damacana borunun kelepçesi açılarak ve ardından temel fermentör programı çalıştırılarak steril ortamla astarlanır. Ortam aktif reaktöre akarken, kaba bir mililitre başlangıç kültürü eklenmeden önce aşılama portu alkolle sterilize edilir. Çalışma sırasında, hücre yoğunluğunu ölçmek için seçilen zaman noktalarında kültür örnekleri alınır. Bu veriler daha sonra bir büyüme eğrisi oluşturmak için kullanılır. Optimal büyüme, kültür kararlı duruma ulaştığında elde edilir, bu da hücre yoğunluğunun sabit kaldığı anlamına gelir.
Artık kesikli ve sürekli karıştırılmış tank reaktörleri hakkında bilgi edindiğinize göre, bu teknolojinin bazı pratik uygulamalarına bakalım. Bira mayalama tipik olarak bir kesikli reaktör sisteminde maya yetiştirilerek gerçekleştirilir. Bir reaktöre arıtılmış su, maltlanmış arpa, şerbetçiotu ve mayadan oluşan bir dizi temel bileşen eklenir. Maltlanmış arpa, maya için şeker açısından zengin bir besin kaynağı görevi görerek fermantasyon sürecini uyarır ve bu da tüketildiğinde atık ürün olarak alkol üretimine neden olur. Karışım hedef alkol içeriğine ulaştığında veya öngörülen süre boyunca fermente edildiğinde, süzülebilir, paketlenebilir ve nihai ürün dağıtılmadan önce karbonatlaşmayı indüklemek için yaşlanmaya bırakılabilir. Standart reaktörler ayrıca özel amaçlar için özelleştirilebilir. Örneğin, özel reaktörler, sürekli karıştırma yoluyla gelişmiş hücre ve besin dağılımı yoluyla doku iskelelerinin hücre canlılığını artırmak için kullanılabilir. Eşzamanlı olarak, hücre dışı matris üretimini teşvik etmek ve hücre büyümesini ve farklılaşmasını aktif olarak yönlendirmek için iskeleye mekanik stimülasyon uygulanabilir. Ortaya çıkan iskeleler, gelişmiş fizyolojik ve mekanik özelliklere sahiptir ve bu da onları implantasyon için çekici hale getirir.
Az önce Jove'un kesikli ve sürekli karıştırılan reaktörlerle ilgili videosunu izlediniz. Artık kesikli ve sürekli karıştırılmış tank biyoreaktörlerinin nasıl çalıştığını ve bu sistemlerin biyomühendislik alanında nasıl uygulanabileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
Fermentör olarak da bilinen biyoreaktörler, uygun büyüme ortamları sağlayan hücre kültürü sistemleridir. Hücre kültüründe, kesikli ve sürekli karıştırılmış tank biyoreaktörlerinde yaygın olarak iki tip biyoreaktör kullanılır. Kesikli reaktör, hücre kültürü için gerekli tüm bileşenleri içeren kapalı bir kap sistemi iken, sürekli karıştırılmış bir tank reaktörü, bileşenlerin aktif olarak içeri ve dışarı aktığı, atıkların uzaklaştırılmasını ve besin maddelerinin yenilenmesini sağlayan açık bir sistemdir. Hücre büyümesini ve hücre yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak için, her iki sistem için sıcaklık, basınç, çözünmüş oksijen ve pH dahil olmak üzere birden fazla reaktör parametresi kontrol edilebilir. Bu video, kesikli ve sürekli reaktörlerin arkasındaki temel ilkeleri tanıtacak ve bunların laboratuvarda kullanımını detaylandıran bir prosedürü gösterecektir.
En basit biyoreaktör türü, hücre kültürü ortamı ve bir hücre popülasyonu içeren kapalı bir sistem olan kesikli reaktördür. Hücreler büyüdükçe besinleri tüketirler ve damarda biriken atıkları dışarı atarlar. Besin maddelerinin sürekli olarak içeri aktığı ve hücrelerin ve hücre atıklarının dışarı aktığı açık sistemler olan sürekli karıştırılmış tank reaktörleri de kullanılır. Bu, atıkların uzaklaştırılması ve besin maddelerinin yenilenmesi yoluyla hücre yoğunluğunun kontrol edilmesini sağlar. Her iki sistemin kullanımından önce, kontaminasyonu azaltmak için bileşenler genellikle buhar kullanılarak sterilize edilir. Reaktör tamamen monte edildiğinde, ana kaba steril kültür ortamı eklenir ve daha sonra bir başlangıç kültürü ile aşılanır. Kullanım sırasında, hücrelere büyüme için gerekli olan yeterli miktarda besin ve oksijenin sağlandığı homojen bir çözelti sağlamak için karıştırma ve oksijenasyon çarklar kullanılarak kontrol edilir. Ek olarak, fermentör tankı sistemleri, büyüme için en uygun koşulları sağlamak için sıcaklık, çözünmüş oksijen ve pH gibi koşulları ölçmek için genellikle problarla donatılmıştır. Toplu büyüme sırasında, hücre popülasyonu klasik büyüme aşamalarından geçer. İlk olarak, hücreler, hücrelerin çevrelerine adapte olurken yavaş yavaş büyüdüğü gecikme aşamasına girer. Daha sonra, hücreler günlük fazına girer ve besinler tükenene veya toksik yan ürünler kritik bir seviyeye ulaşana kadar üstel bir oranda bölünür. Sonunda, büyüme yavaşlar ve hücreler, kültürden ilgilenilen ürünü hasat etme fırsatı sağlayan durağan faza ulaşır. Ürün ya hücreler tarafından salgılanır ve doğrudan kültür suyundan toplanır ya da ürün hücre içinde kalır ve hücre lizisi yoluyla uzaklaştırılmalıdır. Hasattan sonra reaktör, temizleme ve sterilizasyon yoluyla yeni bir hücre kültürü partisi için hazırlanır.
Sürekli karıştırılmış tank reaktörleri, başlangıçta benzer büyüme modelleri sergiler ve kararlı durum çalışmasında sabit bir hücre yoğunluğuna ulaşır. Bununla birlikte, bu hücre yoğunluğu, besleme ve çıkış suyunun reaktör hacmine bölünmesiyle elde edilen seyreltme hızına bağlıdır. Böylece seyreltme hızı bire yaklaştıkça hücre yoğunluğu azalır. Biyoreaktör konfigürasyonları göz önüne alındığında, hücre yoğunluğu sınırlı olmasına rağmen, kesikli reaktörlerin basitlikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle sıklıkla kullanıldığını akılda tutmak faydalı olacaktır. Sürekli reaktörler hücre yoğunluğunu artırabilir. Bununla birlikte, yüksek hücre yoğunluklarında agregasyon meydana gelebilir ve bu da optimum büyümeyi engeller. Ek olarak, daha uzun fermantasyon süreleri kültür kontaminasyonu riskini artırabilir.
Artık kesikli ve sürekli reaktörleri tanıttığımıza göre, kesikli reaktörden başlayarak her ikisi için de bir prosedürü inceleyelim. Kesikli reaktör kullanımından önce, hücre ortamı temiz bir reaksiyon kabına eklenir. Doldurulduktan sonra, kap bileşenleri deiyonize su ile durulanır ve monte edilir. Bileşenler, kafa plakasını, kültür örneklemesi için hasat borusunu, kültür homojenliğini ve ortam oksijenasyonunu korumak için bir pervaneyi ve kültüre gaz infüzyonu sağlamak için gaz püskürtücüyü içerir. Montaj, kaptaki çözünmüş oksijen içeriğini ölçmek için bir oksijenasyon probunun kurulumu, pH'ı kontrol etmek için asit veya baz eklemek için besleme hatları ve kalibre edilmiş bir pH probu ile devam eder. Tüm bileşenler kurulduğunda, monte edilen reaktör bir otoklav kullanılarak sterilize edilir. Kap daha sonra hem pH probunun hem de oksijen probunun bilgisayara bağlandığı fermentör tabanına monte edilir. Ek olarak, gaz püskürtücü, gaz akış hızını ölçen bir gaz rotametresine bağlanır. Bu sırada pervane açılır ve istenen parametreler elde edilene kadar gaz akışı, sıcaklık ve kap çalkalaması ayarlanır. Aşılama portu daha sonra alkolle sterilize edilir ve başlangıç kültürü reaktör kabına dağıtılır. Çalışma sırasında, hücre yoğunluğu ölçümlerine dayalı bir büyüme eğrisi oluşturmak için hücre kültürü numuneleri seçilen zaman noktalarında çizilir. Hücre yoğunluğu istenen seviyeye ulaştığında, kültür durdurulur ve hücreler bir dizi filtrasyon adımından geçirilerek kaptan toplanır. Kalan kap içeriği, ağartıcı veya diğer antimikrobiyal içerikler kullanılarak atılır.
Kesikli reaktörlere benzer şekilde, bazen kemostat olarak adlandırılan sürekli karıştırılmış tank reaktörleri, montajdan önce tek tek bileşenlerinin deiyonize su ile iyice durulanmasını gerektirir. Temizlendikten sonra, karıştırıcı tertibatı ve tahrik mili bileşenleri birbirine takılır ve otoklavlama sırasında sterilizasyonu iyileştirmek için reaktör kabı deiyonize su ile doldurulur. Çözünmüş oksijen, pH ve sıcaklık probları kalibre edilir ve ardından kurulur. Kap tamamen monte edildiğinde, reaktör bir otoklav kullanılarak sterilize edilir. Sterilizasyondan sonra, kap sıcaklığını kontrol etmek için bir ısı ceketi içine yerleştirilir ve kalibre edilmiş problar bağlanır. Ardından, hava akışını açmadan önce medya damacana ve steril filtreli hava beslemesi bağlanır. Kap, damacana borunun kelepçesi açılarak ve ardından temel fermentör programı çalıştırılarak steril ortamla astarlanır. Ortam aktif reaktöre akarken, kaba bir mililitre başlangıç kültürü eklenmeden önce aşılama portu alkolle sterilize edilir. Çalışma sırasında, hücre yoğunluğunu ölçmek için seçilen zaman noktalarında kültür örnekleri alınır. Bu veriler daha sonra bir büyüme eğrisi oluşturmak için kullanılır. Optimal büyüme, kültür kararlı duruma ulaştığında elde edilir, bu da hücre yoğunluğunun sabit kaldığı anlamına gelir.
Artık kesikli ve sürekli karıştırılmış tank reaktörleri hakkında bilgi edindiğinize göre, bu teknolojinin bazı pratik uygulamalarına bakalım. Bira mayalama tipik olarak bir kesikli reaktör sisteminde maya yetiştirilerek gerçekleştirilir. Bir reaktöre arıtılmış su, maltlanmış arpa, şerbetçiotu ve mayadan oluşan bir dizi temel bileşen eklenir. Maltlanmış arpa, maya için şeker açısından zengin bir besin kaynağı görevi görerek fermantasyon sürecini uyarır ve bu da tüketildiğinde atık ürün olarak alkol üretimine neden olur. Karışım hedef alkol içeriğine ulaştığında veya öngörülen süre boyunca fermente edildiğinde, süzülebilir, paketlenebilir ve nihai ürün dağıtılmadan önce karbonatlaşmayı indüklemek için yaşlanmaya bırakılabilir. Standart reaktörler ayrıca özel amaçlar için özelleştirilebilir. Örneğin, özel reaktörler, sürekli karıştırma yoluyla gelişmiş hücre ve besin dağılımı yoluyla doku iskelelerinin hücre canlılığını artırmak için kullanılabilir. Eşzamanlı olarak, hücre dışı matris üretimini teşvik etmek ve hücre büyümesini ve farklılaşmasını aktif olarak yönlendirmek için iskeleye mekanik stimülasyon uygulanabilir. Ortaya çıkan iskeleler, gelişmiş fizyolojik ve mekanik özelliklere sahiptir ve bu da onları implantasyon için çekici hale getirir.
Az önce Jove'un kesikli ve sürekli karıştırılan reaktörlerle ilgili videosunu izlediniz. Artık kesikli ve sürekli karıştırılmış tank biyoreaktörlerinin nasıl çalıştığını ve bu sistemlerin biyomühendislik alanında nasıl uygulanabileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
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.