Engelsk
SvenskBioproces 101
For at forstå de optimale betingelser for in vitro-kultur er man nødt til at vide, hvilket naturligt miljø der giver organismen det, den har brug for før den vokser og trives. Derudover er en klar forståelse af de forskellige vækstfaser i en bioproces afgørende for at vælge en bioprocesstrategi.
Kontakt Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk for yderligere information.
Kontakt Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk for yderligere information.
Kategorier:
Valg af de perfekte dyrkningsbetingelser
Næsten alle organismer af eukaryot og prokaryot oprindelse kan dyrkes i en rysteinkubator eller i en bioreaktor. For at forstå de optimale vækstbetingelser er du nødt til at undersøge de naturlige vækstbetingelser for din organisme - det vil give et grundlag for din dyrkning, som derefter kan optimeres. I denne blog vil vi give en kort vejledning til de mest almindelige bakterier, gær, svampe og celler.Bakterier
Bakterier dækker en bred vifte af mulige vækstbetingelser. Ud over de "normale" bakterier er der også dem, der elsker ekstreme miljøforhold, de ekstremofile. Eksempler på disse er termofile (høje temperaturer) og halofile (høje saltkoncentrationer) mikroorganismer. Fordoblingstiden - den tid, det tager før en mikroorganismepopulation er fordoblet - kan variere fra minutter til dage og afhænger af næsten hvad som helst, f.eks. om det er en anaerob eller måske en genetisk modificeret bakterie.Typiske dyrkningsparametre for bakterier:
Gær
Gær har de samme essentielle krav til blanding, temperatur osv. som bakterier. Derfor har de normalt ikke brug for særlige vækstbetingelser - de foretrækker typisk en procestemperatur på 30 °C og en let sur pH-værdi. God omrøring eller rysten er sammen med tilstrækkelig ilttilførsel afgørende for et godt udbytte af gærbiomasse. Gærmetabolisme genererer en del varme, og det kan være nødvendigt at køle processen for at modvirke dette og opretholde en acceptabel temperatur.Typiske dyrkningsparametre for gær:
Svampe
Svampe vokser ofte som filamentøse, myceliale celleaggregater, der ofte er følsomme over for forskydning. Det er derfor, de har tendens til at klæbe til karvæggen eller endda i headspace - for at undslippe forskydningsspændingen. Mycelierne danner lineære tråde eller pellets, når de omrøres, hvilket kan resultere i et meget tyktflydende dyrkningsmedium, der kræver en betydelig krafttilførsel for at opnå blanding og afgasning. Det gør det ofte vanskeligt at identificere de ideelle driftsparametre til dyrkning af svampe.Typiske dyrkningsparametre for svampe:
Cellekulturer
Dyrkning af planteceller eller mammale celler indebærer, at man får en primærkultur af celler, væv eller organer, der har fuld metabolisk kapacitet. Celler fra pattedyr, planter og insekter har tendens til at være mere krævende og have særlige behov til bioreaktoren, især mammale celler. Se Minifors 2 til celledyrkning, med alle de særlige funktioner, der er nødvendige til celledyrkning.Typiske dyrkningsparametre for mammale celler:
De 4 grundlæggende faser i en bioproces
Formålet med en bioproces er at bruge celler eller deres komponenter til at generere mere af et "produkt" på den mest effektive måde. Det kan være selve biomassen eller komponenter af celler, som derefter kræver yderligere behandling. Denne nedstrømsbehandling kræver normalt en stor indsats. For at vælge en passende bioprocesstrategi er det vigtigt med en grundlæggende viden om de forskellige faser i en bioproces og deres karakteristika.1. Lag-fasen
Efter podning af en kultur i bioreaktoren skal cellerne først tilpasse sig de nye miljøforhold. Denne periode kaldes latens- eller lag-fasen. Selvom der er tilstrækkeligt med næringsstoffer og, vigtigst af alt, ingen metaboliske affaldsprodukter i det friske medium, kan mikroorganismerne/cellerne stadig ikke vokse med fuld hastighed, fordi de endnu ikke har tilpasset sig miljøet. De tilpasser sig ved at registrere miljøparametre som temperatur og næringsstofforsyning for at regulere de relevante gener. Det kan tage noget tid, afhængigt af organismen.Tip: En måde at forkorte lag-fasen på er ved at starte en forkultur i en rystekolbe under de samme forhold (samme medium, samme temperatur) og hurtigt overføre cellerne til bioreaktoren under den eksponentielle vækstfase. Her kan særlige rystekolber fra THOMSON med overførselshætter være nyttige.
Skematisk fremstilling af lag-fasen.
Det inokulum, der tilsættes kulturmediet, definerer startmængden af celler. Når bioreaktoren er podet, stiger antallet af levedygtige celler i starten langsomt, fordi organismerne stadig skal tilpasse sig de fremherskende miljøforhold. Denne fase kaldes derfor latens- eller lag-fasen.
Det inokulum, der tilsættes kulturmediet, definerer startmængden af celler. Når bioreaktoren er podet, stiger antallet af levedygtige celler i starten langsomt, fordi organismerne stadig skal tilpasse sig de fremherskende miljøforhold. Denne fase kaldes derfor latens- eller lag-fasen.
2. Log-fasen
I den efterfølgende eksponentielle fase, kaldet log-fasen, er mikroorganismen ideelt tilpasset miljøet, og væksthastigheden af de delende celler er på sit højeste. Udtrykket "eksponentiel vækst" stammer fra det faktum, at antallet af celler ikke stiger lineært - det fordobles konstant.
Cellerne deler sig med den størst mulige hastighed, og biomassen vokser. Nu absorberes og metaboliseres næringsstofferne med maksimal hastighed, hvilket i en aerob bioproces øger iltbehovet og kuldioxidproduktionen. Kort sagt bliver næringsstofferne opbrugt så hurtigt som muligt. Under denne proces producerer bakterierne også biprodukter som organiske syrer eller overskydende varme. Når det sker, er forskerne nødt til at trække på bioreaktorens brede vifte af værktøjer for at forhindre, at cellevæksten forringes. I log-fasen øger den stigende mængde biomasse og eventuelle lyserede (opløste) celler indholdet af frie proteiner i mediet og risikoen for skumdannelse.
Skematisk fremstilling af log-fasen.
Cellerne er nu veltilpassede og deler sig med den størst mulige hastighed, da de har alle de næringsstoffer, de har brug for. Derfor stiger antallet af levende celler hurtigt i denne fase, som kaldes den eksponentielle eller log-fasen.
Cellerne er nu veltilpassede og deler sig med den størst mulige hastighed, da de har alle de næringsstoffer, de har brug for. Derfor stiger antallet af levende celler hurtigt i denne fase, som kaldes den eksponentielle eller log-fasen.
3. Den stationære fase
Desværre kan den eksponentielle vækst ikke fortsætte for evigt. Næringsstofferne udtømmes, og giftige komponenter fra døde celler akkumuleres. Som et resultat falder vækstraten i den efterfølgende, stationære fase. I denne fase er mikroorganismernes eller cellekulturernes spredning og død dog stadig i balance.
Skematisk fremstilling af den stationære fase.
Næringsstofferne er nu opbrugt, og skadelige produkter begynder at ophobes. Derfor begynder cellerne at dele sig langsommere, indtil antallet af døende celler er omtrent det samme som antallet af celler, der produceres ved deling. Denne fase kaldes derfor den stationære fase.
Næringsstofferne er nu opbrugt, og skadelige produkter begynder at ophobes. Derfor begynder cellerne at dele sig langsommere, indtil antallet af døende celler er omtrent det samme som antallet af celler, der produceres ved deling. Denne fase kaldes derfor den stationære fase.
4. Dødsfasen
I slutningen af bioprocessen, i den såkaldte dødsfase, falder vækstraten så meget, at der dør mange flere celler, end der kommer til ved ny celledeling. Det resulterer i et nettotab. Afhængigt af processtyringen ender bioprocessen derfor enten på naturlig vis, eller også stopper brugeren den bevidst. Det afhænger også af, hvor længe det giver mening for en proces som denne at fortsætte. Hvis bioprocessen ikke aktivt afsluttes, dør cellerne gradvist, fordi de simpelthen har opbrugt deres føde, og den toksiske effekt af akkumulerede metabolitter gør resten.
Skematisk fremstilling af dødsfasen.
Hvis bioprocessen får lov til at gå videre til dødsfasen. Denne fase er kendetegnet ved et faldende antal levende celler på grund af utilstrækkelige næringsstoffer og ophobning af skadelige biprodukter. Da der dør flere celler, end der tilføres ved deling, falder antallet af levende organismer.
Hvis bioprocessen får lov til at gå videre til dødsfasen. Denne fase er kendetegnet ved et faldende antal levende celler på grund af utilstrækkelige næringsstoffer og ophobning af skadelige biprodukter. Da der dør flere celler, end der tilføres ved deling, falder antallet af levende organismer.
Forskellige strategier til din upstream-processering.
Ved at vælge den rigtige processtrategi kan du optimere designet af en bioproces og samtidig maksimere effektiviteten med hensyn til produktudbytte og tid. Grundlæggende kan disse opdeles i 4 kategorier, hvor den enkleste er single Batch.I en enkelt batch vil de 4 faser ovenfor køre næsten som i teorien, når processen er optimeret. Når den er kørt til ende, kan høsten udføres.
I en fodret batch forsøger vi at forlænge den eksponentielle fase så langt som muligt ved at tilføje den begrænsende faktor foder til batchen. Når det er kørt til ende, høster vi.
I en kontinuerlig batch fylder vi reaktoren og kører processen som i en batch. Men vi vil løbende tilføje nyt medie og foder, mens vi tager celler og/eller produkt ud på samme tid. På den måde kan processen i teorien køre for evigt, eller indtil vi får en kontaminering.
I en semikontinuerlig bioproces tilpasser vi letheden ved at køre fed batch med effektiviteten ved at køre kontinuerlig batch. Det gøres ved at køre normale fed batch-processer, men når man høster lidt medie, og der er celler tilbage, fungerer det som en startkultur for den næste batch. På den måde kan vi køre endeløse feed-batches uden nedetid, i hvert fald indtil vi får en kontaminering.
Du er velkommen til at spørge os om særlige behov for fodrede batch-, kontinuerlige eller semikontinuerlige bioprocesser, og hvordan vi kan tilpasse din bioreaktor.
Nedstrøms forarbejdning
Når bioprocessen er færdig, efterfølges den normalt af downstream-processering, dvs. høst og forarbejdning af de ønskede produkter. Det betyder, at den fraktion, som en forsker beholder og behandler, kan variere afhængigt af processen og det ønskede produkt. Tag for eksempel et rekombinant protein, som, når det frigives af mikroorganismen eller cellelinjen i mediet, kan genvindes ved blot at behandle mediet. For et lignende protein, som ikke kan udskilles - skal forskeren først adskille proteinet fra cellen (og den komplekse blanding af lipider, proteiner, nukleinsyrer og sukkerarter). Produktets karakteristika afgør, om oprensningen er enkel eller mere kompliceret, samt antallet af trin. Disse procedurer har betydning for udbytte, tid, arbejdskraft og omkostninger.Generelt omfatter downstream-processeringstrinnene:
- Celleseparation
- Opløsning af celler
- Ekstraktion af produktet
- Koncentrering
- Oprensning
- Emballering
Resumé:
Denne oversigt har skitseret tre nøgleområder inden for bioprocesering for en række organismer, nemlig:- De korrekte dyrkningsbetingelser for de klasser af organismer, der bruges mest i kommercielle bioprocesser, såsom fødevare-, drikkevare- og medicinalproduktion.
- De forskellige vækstfaser for enhver af disse organismer følger stort set den samme vej, mens de viser stor variation i timing og udbytte af deres respektive bioprocesser.
- Hvordan målet med bioprocessen afspejles i den indsats, der kræves for forskellige downstream-trin for at opnå et færdigt produkt.
Se vores rysteinkubatorer
Se vores rystekolber
Se vores bioreaktorer
Kommentarer (0)
Skriv en kommentar
Fortæl os hvad du synes om denne blog, og del dine erfaringer med andre. Medtag kun oplysninger, der er relevante for den blog, du er ved at kommentere på.
Bioproces 101
For at forstå de optimale betingelser for in vitro-kultur er man nødt til at vide, hvilket naturligt miljø der giver organismen det, den har brug for før den vokser og trives. Derudover er en klar forståelse af de forskellige vækstfaser i en bioproces afgørende for at vælge en bioprocesstrategi.
Kontakt Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk for yderligere information.
Kontakt Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk for yderligere information.
Kategorier:
Valg af de perfekte dyrkningsbetingelser
Næsten alle organismer af eukaryot og prokaryot oprindelse kan dyrkes i en rysteinkubator eller i en bioreaktor. For at forstå de optimale vækstbetingelser er du nødt til at undersøge de naturlige vækstbetingelser for din organisme - det vil give et grundlag for din dyrkning, som derefter kan optimeres. I denne blog vil vi give en kort vejledning til de mest almindelige bakterier, gær, svampe og celler.Bakterier
Bakterier dækker en bred vifte af mulige vækstbetingelser. Ud over de "normale" bakterier er der også dem, der elsker ekstreme miljøforhold, de ekstremofile. Eksempler på disse er termofile (høje temperaturer) og halofile (høje saltkoncentrationer) mikroorganismer. Fordoblingstiden - den tid, det tager før en mikroorganismepopulation er fordoblet - kan variere fra minutter til dage og afhænger af næsten hvad som helst, f.eks. om det er en anaerob eller måske en genetisk modificeret bakterie.Typiske dyrkningsparametre for bakterier:
Gær
Gær har de samme essentielle krav til blanding, temperatur osv. som bakterier. Derfor har de normalt ikke brug for særlige vækstbetingelser - de foretrækker typisk en procestemperatur på 30 °C og en let sur pH-værdi. God omrøring eller rysten er sammen med tilstrækkelig ilttilførsel afgørende for et godt udbytte af gærbiomasse. Gærmetabolisme genererer en del varme, og det kan være nødvendigt at køle processen for at modvirke dette og opretholde en acceptabel temperatur.Typiske dyrkningsparametre for gær:
Svampe
Svampe vokser ofte som filamentøse, myceliale celleaggregater, der ofte er følsomme over for forskydning. Det er derfor, de har tendens til at klæbe til karvæggen eller endda i headspace - for at undslippe forskydningsspændingen. Mycelierne danner lineære tråde eller pellets, når de omrøres, hvilket kan resultere i et meget tyktflydende dyrkningsmedium, der kræver en betydelig krafttilførsel for at opnå blanding og afgasning. Det gør det ofte vanskeligt at identificere de ideelle driftsparametre til dyrkning af svampe.Typiske dyrkningsparametre for svampe:
Cellekulturer
Dyrkning af planteceller eller mammale celler indebærer, at man får en primærkultur af celler, væv eller organer, der har fuld metabolisk kapacitet. Celler fra pattedyr, planter og insekter har tendens til at være mere krævende og have særlige behov til bioreaktoren, især mammale celler. Se Minifors 2 til celledyrkning, med alle de særlige funktioner, der er nødvendige til celledyrkning.Typiske dyrkningsparametre for mammale celler:
De 4 grundlæggende faser i en bioproces
Formålet med en bioproces er at bruge celler eller deres komponenter til at generere mere af et "produkt" på den mest effektive måde. Det kan være selve biomassen eller komponenter af celler, som derefter kræver yderligere behandling. Denne nedstrømsbehandling kræver normalt en stor indsats. For at vælge en passende bioprocesstrategi er det vigtigt med en grundlæggende viden om de forskellige faser i en bioproces og deres karakteristika.1. Lag-fasen
Efter podning af en kultur i bioreaktoren skal cellerne først tilpasse sig de nye miljøforhold. Denne periode kaldes latens- eller lag-fasen. Selvom der er tilstrækkeligt med næringsstoffer og, vigtigst af alt, ingen metaboliske affaldsprodukter i det friske medium, kan mikroorganismerne/cellerne stadig ikke vokse med fuld hastighed, fordi de endnu ikke har tilpasset sig miljøet. De tilpasser sig ved at registrere miljøparametre som temperatur og næringsstofforsyning for at regulere de relevante gener. Det kan tage noget tid, afhængigt af organismen.Tip: En måde at forkorte lag-fasen på er ved at starte en forkultur i en rystekolbe under de samme forhold (samme medium, samme temperatur) og hurtigt overføre cellerne til bioreaktoren under den eksponentielle vækstfase. Her kan særlige rystekolber fra THOMSON med overførselshætter være nyttige.
Skematisk fremstilling af lag-fasen.
Det inokulum, der tilsættes kulturmediet, definerer startmængden af celler. Når bioreaktoren er podet, stiger antallet af levedygtige celler i starten langsomt, fordi organismerne stadig skal tilpasse sig de fremherskende miljøforhold. Denne fase kaldes derfor latens- eller lag-fasen.
Det inokulum, der tilsættes kulturmediet, definerer startmængden af celler. Når bioreaktoren er podet, stiger antallet af levedygtige celler i starten langsomt, fordi organismerne stadig skal tilpasse sig de fremherskende miljøforhold. Denne fase kaldes derfor latens- eller lag-fasen.
2. Log-fasen
I den efterfølgende eksponentielle fase, kaldet log-fasen, er mikroorganismen ideelt tilpasset miljøet, og væksthastigheden af de delende celler er på sit højeste. Udtrykket "eksponentiel vækst" stammer fra det faktum, at antallet af celler ikke stiger lineært - det fordobles konstant.
Cellerne deler sig med den størst mulige hastighed, og biomassen vokser. Nu absorberes og metaboliseres næringsstofferne med maksimal hastighed, hvilket i en aerob bioproces øger iltbehovet og kuldioxidproduktionen. Kort sagt bliver næringsstofferne opbrugt så hurtigt som muligt. Under denne proces producerer bakterierne også biprodukter som organiske syrer eller overskydende varme. Når det sker, er forskerne nødt til at trække på bioreaktorens brede vifte af værktøjer for at forhindre, at cellevæksten forringes. I log-fasen øger den stigende mængde biomasse og eventuelle lyserede (opløste) celler indholdet af frie proteiner i mediet og risikoen for skumdannelse.Skematisk fremstilling af log-fasen.
Cellerne er nu veltilpassede og deler sig med den størst mulige hastighed, da de har alle de næringsstoffer, de har brug for. Derfor stiger antallet af levende celler hurtigt i denne fase, som kaldes den eksponentielle eller log-fasen.
Cellerne er nu veltilpassede og deler sig med den størst mulige hastighed, da de har alle de næringsstoffer, de har brug for. Derfor stiger antallet af levende celler hurtigt i denne fase, som kaldes den eksponentielle eller log-fasen.
3. Den stationære fase
Desværre kan den eksponentielle vækst ikke fortsætte for evigt. Næringsstofferne udtømmes, og giftige komponenter fra døde celler akkumuleres. Som et resultat falder vækstraten i den efterfølgende, stationære fase. I denne fase er mikroorganismernes eller cellekulturernes spredning og død dog stadig i balance.
Skematisk fremstilling af den stationære fase.
Næringsstofferne er nu opbrugt, og skadelige produkter begynder at ophobes. Derfor begynder cellerne at dele sig langsommere, indtil antallet af døende celler er omtrent det samme som antallet af celler, der produceres ved deling. Denne fase kaldes derfor den stationære fase.
Næringsstofferne er nu opbrugt, og skadelige produkter begynder at ophobes. Derfor begynder cellerne at dele sig langsommere, indtil antallet af døende celler er omtrent det samme som antallet af celler, der produceres ved deling. Denne fase kaldes derfor den stationære fase.
4. Dødsfasen
I slutningen af bioprocessen, i den såkaldte dødsfase, falder vækstraten så meget, at der dør mange flere celler, end der kommer til ved ny celledeling. Det resulterer i et nettotab. Afhængigt af processtyringen ender bioprocessen derfor enten på naturlig vis, eller også stopper brugeren den bevidst. Det afhænger også af, hvor længe det giver mening for en proces som denne at fortsætte. Hvis bioprocessen ikke aktivt afsluttes, dør cellerne gradvist, fordi de simpelthen har opbrugt deres føde, og den toksiske effekt af akkumulerede metabolitter gør resten.Skematisk fremstilling af dødsfasen.
Hvis bioprocessen får lov til at gå videre til dødsfasen. Denne fase er kendetegnet ved et faldende antal levende celler på grund af utilstrækkelige næringsstoffer og ophobning af skadelige biprodukter. Da der dør flere celler, end der tilføres ved deling, falder antallet af levende organismer.
Hvis bioprocessen får lov til at gå videre til dødsfasen. Denne fase er kendetegnet ved et faldende antal levende celler på grund af utilstrækkelige næringsstoffer og ophobning af skadelige biprodukter. Da der dør flere celler, end der tilføres ved deling, falder antallet af levende organismer.
Forskellige strategier til din upstream-processering.
Ved at vælge den rigtige processtrategi kan du optimere designet af en bioproces og samtidig maksimere effektiviteten med hensyn til produktudbytte og tid. Grundlæggende kan disse opdeles i 4 kategorier, hvor den enkleste er single Batch.I en enkelt batch vil de 4 faser ovenfor køre næsten som i teorien, når processen er optimeret. Når den er kørt til ende, kan høsten udføres.
I en fodret batch forsøger vi at forlænge den eksponentielle fase så langt som muligt ved at tilføje den begrænsende faktor foder til batchen. Når det er kørt til ende, høster vi.
I en kontinuerlig batch fylder vi reaktoren og kører processen som i en batch. Men vi vil løbende tilføje nyt medie og foder, mens vi tager celler og/eller produkt ud på samme tid. På den måde kan processen i teorien køre for evigt, eller indtil vi får en kontaminering.
I en semikontinuerlig bioproces tilpasser vi letheden ved at køre fed batch med effektiviteten ved at køre kontinuerlig batch. Det gøres ved at køre normale fed batch-processer, men når man høster lidt medie, og der er celler tilbage, fungerer det som en startkultur for den næste batch. På den måde kan vi køre endeløse feed-batches uden nedetid, i hvert fald indtil vi får en kontaminering.
Du er velkommen til at spørge os om særlige behov for fodrede batch-, kontinuerlige eller semikontinuerlige bioprocesser, og hvordan vi kan tilpasse din bioreaktor.
Nedstrøms forarbejdning
Når bioprocessen er færdig, efterfølges den normalt af downstream-processering, dvs. høst og forarbejdning af de ønskede produkter. Det betyder, at den fraktion, som en forsker beholder og behandler, kan variere afhængigt af processen og det ønskede produkt. Tag for eksempel et rekombinant protein, som, når det frigives af mikroorganismen eller cellelinjen i mediet, kan genvindes ved blot at behandle mediet. For et lignende protein, som ikke kan udskilles - skal forskeren først adskille proteinet fra cellen (og den komplekse blanding af lipider, proteiner, nukleinsyrer og sukkerarter). Produktets karakteristika afgør, om oprensningen er enkel eller mere kompliceret, samt antallet af trin. Disse procedurer har betydning for udbytte, tid, arbejdskraft og omkostninger.Generelt omfatter downstream-processeringstrinnene:
- Celleseparation
- Opløsning af celler
- Ekstraktion af produktet
- Koncentrering
- Oprensning
- Emballering
Resumé:
Denne oversigt har skitseret tre nøgleområder inden for bioprocesering for en række organismer, nemlig:- De korrekte dyrkningsbetingelser for de klasser af organismer, der bruges mest i kommercielle bioprocesser, såsom fødevare-, drikkevare- og medicinalproduktion.
- De forskellige vækstfaser for enhver af disse organismer følger stort set den samme vej, mens de viser stor variation i timing og udbytte af deres respektive bioprocesser.
- Hvordan målet med bioprocessen afspejles i den indsats, der kræves for forskellige downstream-trin for at opnå et færdigt produkt.
Se vores rysteinkubatorer
Se vores rystekolber
Se vores bioreaktorer
Kommentarer (0)
Der er ingen kommentarer endnu.
Skriv en kommentar
Fortæl os hvad du synes om denne blog, og del dine erfaringer med andre. Medtag kun oplysninger, der er relevante for den blog, du er ved at kommentere på.
Der er ingen kommentarer endnu.