Dansk
EngelskBioprocessing 101
För att förstå de optimala förhållandena för in vitro-odling måste man veta vilken naturlig miljö som ger organismen vad den behöver för att växa och frodas. Dessutom är en tydlig förståelse av de olika tillväxtfaserna i en bioprocess avgörande för att välja en bioprocessstrategi.
Kontakta Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk för ytterligare information.
Kontakta Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk för ytterligare information.
Kategorier:
VÄLJ DE PERFEKTA ODLINGSFÖRHÅLLANDENA
Praktiskt taget alla organismer av eukaryot och prokaryot ursprung kan odlas i en inkubatorskakare eller i en bioreaktor. För att förstå de optimala förhållandena för tillväxt måste du undersöka de naturliga tillväxtförhållandena för din organism. Detta kommer att ge en grund för din odling som sedan kan optimeras. I den här bloggen kommer vi att ge en kort fusklista för de vanligaste bakterierna, jästen, svamparna och cellerna.BAKTERIER
Bakterier täcker ett brett spektrum av möjliga tillväxtförhållanden. Förutom "normala" bakterier finns det också de som älskar extrema miljöförhållanden, de extremofila. Exempel på detta är termofila (höga temperaturer) och halofila (höga saltkoncentrationer) mikroorganismer. Fördubblingstiden, dvs. den tid det tar innan en mikroorganismpopulation har fördubblats, kan variera från minuter till dagar. Detta kan bero på nästan vad som helst, t.ex. om det är en anaerob eller kanske en genetiskt modifierad bakterie.Typiska odlingsparametrar för bakterier:
JÄST
Jäst har samma grundläggande krav på blandning, temperatur etc. som bakterier. Därför behöver de vanligtvis inga speciella tillväxtförhållanden - de föredrar vanligtvis en processtemperatur på 30°C och ett svagt surt pH-värde. Bra omrörning eller skakning, tillsammans med tillräcklig syretillförsel, är avgörande för ett bra utbyte av jästbiomassa. Jästmetabolismen genererar mycket värme och det kan vara nödvändigt att kyla processen för att motverka detta och bibehålla en acceptabel temperatur.Typiska odlingsparametrar för jäst:
SVAMPAR
Svampar växer ofta som filamentösa, myceliala cellaggregat som ofta är känsliga för skjuvning. Det är därför de tenderar att fästa vid kärlväggen eller till och med i headspace - för att undkomma skjuvspänningen. Mycelierna bildar linjära strängar eller pellets när de rörs om, vilket kan resultera i ett mycket visköst odlingsmedium som kräver en betydande mängd kraft för att uppnå blandning och avgasning. Detta gör det ofta svårt att identifiera de idealiska driftsparametrarna för svampodling.Typiska odlingsparametrar för svampar:
CELLKULTURER
Odling av växt- eller däggdjursceller innebär att man tar fram en primärkultur av celler, vävnader eller organ som har full metabolisk kapacitet. Celler från mammalieväxter och insekter tenderar att vara mer krävande med särskilda behov för bioreaktorn, särskilt mammalieceller.Typiska odlingsparametrar för mammalieceller:
DE 4 GRUNDLÄGGANDE FASERNA I EN BIOPROCESS
Syftet med en bioprocess är att använda celler eller deras komponenter för att generera mer av en "produkt" på ett så effektivt sätt som möjligt. Detta kan vara själva biomassan eller cellkomponenter som sedan kräver ytterligare bearbetning. Denna nedströmsbearbetning kräver vanligtvis en hel del arbete. För att välja en lämplig bioprocessstrategi är det viktigt med grundläggande kunskaper om de olika faserna i en bioprocess och deras egenskaper.1. Lag-fasen
Efter inympning av en kultur i bioreaktorn måste cellerna först anpassa sig till sina nya miljöförhållanden. Denna period kallas latens- eller fördröjningsfasen. Även om det finns tillräckligt med näringsämnen och, viktigast av allt, inga metaboliska avfallsprodukter i det färska mediet, kan mikroorganismerna/cellerna fortfarande inte växa med full hastighet eftersom de ännu inte har anpassat sig till miljön. De anpassar sig genom att känna av miljöparametrar som temperatur och näringstillförsel för att reglera de lämpliga generna. Detta kan ta lite tid, beroende på organism.Tips: Ett sätt att förkorta fördröjningsfasen är att starta en förkultur i skakflaskan under samma förhållanden (samma medium, samma temperatur) och snabbt överföra cellerna till bioreaktorn under den exponentiella tillväxtfasen. Här kan speciella skakflaskor med överföringslock från THOMSON komma väl till pass.
Schematisk bild av fördröjningsfasen. Den inokulum som tillsätts till odlingsmediet definierar den initiala mängden celler. När bioreaktorn har fyllts ökar antalet livsdugliga celler till en början långsamt eftersom organismerna fortfarande behöver anpassa sig till de rådande miljöförhållandena. Denna fas kallas därför latens- eller fördröjningsfasen.
2. Log-fasen
I den efterföljande exponentiella fasen, som kallas log-fasen, är mikroorganismen idealiskt anpassad till miljön och tillväxthastigheten för de delande cellerna är på topp. Termen "exponentiell tillväxt" kommer från det faktum att antalet celler inte ökar linjärt - det fördubblas ständigt.Cellerna delar sig i högsta möjliga takt och biomassan växer. Nu absorberas och metaboliseras näringsämnen med maximal hastighet, vilket i en aerob bioprocess ökar syrebehovet och koldioxidproduktionen. Kort sagt, näringsämnena utnyttjas så snabbt som möjligt. Under denna process producerar bakterierna också biprodukter som organiska syror eller överskottsvärme. När detta händer måste forskarna använda sig av bioreaktorns breda utbud av verktyg för att förhindra att celltillväxten försämras. I logfasen ökar den ökande mängden biomassa och eventuella lyserade (upplösta) celler halten av fria proteiner i mediet och risken för skumbildning.
Schematisk bild av log-fasen. Cellerna är nu välanpassade och delar sig i högsta möjliga takt eftersom de har alla näringsämnen de behöver. Därför ökar antalet levande celler snabbt i denna fas, som kallas den exponentiella eller log-fasen.
3. Den stationära fasen
Tyvärr kan exponentiell tillväxt inte fortsätta hur länge som helst. Näringsämnena utarmas och toxiska komponenter från döda celler ackumuleras. Till följd av detta minskar tillväxthastigheten i den efterföljande, stationära fasen. I denna fas är dock mikroorganismernas eller cellkulturernas förökning och död fortfarande i balans.
Schematisk bild av den stationära fasen. Näringsämnena är nu uttömda och skadliga produkter börjar ansamlas. Därför börjar cellerna dela sig långsammare tills antalet döende celler är ungefär detsamma som antalet celler som produceras genom delning. Denna fas kallas därför den stationära fasen.
4. DÖDSFASEN
I slutet av bioprocessen, i den så kallade dödsfasen, sjunker tillväxttakten så mycket att många fler celler dör än vad som tillkommer genom ny celldelning. Detta resulterar i en nettoförlust. Beroende på processtyrningen avslutas bioprocessen därför antingen naturligt eller så stoppar användaren den medvetet. Det beror också på hur länge det är meningsfullt att en sådan process fortsätter. Om bioprocessen inte avslutas aktivt dör cellerna gradvis eftersom de helt enkelt har förbrukat sin föda och den toxiska effekten av ackumulerade metaboliter gör resten.
Schematisk representation av dödsfasen. Om bioprocessen tillåts gå vidare till dödsstadiet. Detta stadium kännetecknas av ett minskande antal levande celler på grund av otillräckliga näringsämnen och ackumulering av skadliga biprodukter. När fler celler dör än vad som tillförs genom delning minskar antalet levande organismer.
OLIKA STRATEGIER FÖR DIN UPSTREAM-BEHANDLING
Genom att välja rätt processstrategi kan du optimera designen av en bioprocess samtidigt som du maximerar effektiviteten vad gäller produktutbyte och tid. I grund och botten kan dessa delas in i 4 kategorier, den enklaste är single Batch.I en single batch kommer de 4 faserna ovan att köras nästan som i teorin när processen är optimerad. När den har körts till slutet kan skörden genomföras.
I en matad batch försöker vi utöka den exponentiella fasen så långt som möjligt genom att lägga till den begränsande faktorn foder till batchen. När det är färdigt skördar vi.
I en kontinuerlig batch fyller vi reaktorn och kör processen som i en sats. Men vi kommer kontinuerligt att lägga till nya medier och foder samtidigt som vi tar ut celler och/eller produkt. På så sätt, i teorin, kan processen pågå för evigt, eller tills vi får en kontaminering.
I en semi-kontinuerlig bioprocess matchar vi lättheten att köra fettsats med effektiviteten i att köra kontinuerlig sats. Detta görs genom att köra normala fettbatchprocesser, men när du skördar en del media och det finns celler kvar fungerar det som en startkultur för nästa batch. På så sätt kan vi köra oändliga fodersatser utan stillestånd, åtminstone tills vi får en förorening.
Downstream-processbearbetning
När bioprocessen väl är klar följs den vanligtvis av nedströmsbehandling, d.v.s. skörd och bearbetning av de önskade produkterna. Det innebär att andelen som en forskare behåller och bearbetar kan variera beroende på process och önskad produkt. Ta till exempel ett rekombinant protein som, när det frisätts av mikroorganismen eller cellinjen i mediet, kan utvinnas genom att helt enkelt behandla mediet. För ett liknande protein, som inte kan utsöndras - måste forskaren först separera proteinet från cellen (och den komplexa blandningen av lipider, proteiner, nukleinsyror och sockerarter). Produktens egenskaper avgör om reningen är enkel eller mer komplicerad, liksom antalet steg. Dessa procedurer har konsekvenser för avkastning, tid, arbetskraft och kostnader.Generelt omfatter downstream-processbearbetning:
- Cellseparation
- Upplösning av celler
- Extraktion av produkten
- Koncentration
- Rening
- Förpackning
SAMMANFATTNING
Denna översikt har beskrivit tre nyckelområden för biobearbetning för en rad organismer, nämligen:
- De korrekta odlingsförhållandena för de klasser av organismer som används mest i kommersiella bioprocesser som livsmedel, drycker och läkemedelsproduktion.
- De olika tillväxtfaserna för var och en av dessa organismer följer i huvudsak samma väg, samtidigt som de visar stor variation i tidpunkten och utbytet av deras respektive bioprocesser.
- Hur målet med bioprocessen återspeglas i den insats som krävs för olika nedströmssteg för att uppnå en färdig produkt. Vi vill vara din odlingspartner!
Kommentarer (0)
Skriv en kommentar
Berätta vad du tycker om den här bloggen och dela din upplevelse med andra. Vänligen inkludera endast innehåll som är relevant för den blogg du kommenterar.
Bioprocessing 101
För att förstå de optimala förhållandena för in vitro-odling måste man veta vilken naturlig miljö som ger organismen vad den behöver för att växa och frodas. Dessutom är en tydlig förståelse av de olika tillväxtfaserna i en bioprocess avgörande för att välja en bioprocessstrategi.
Kontakta Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk för ytterligare information.
Kontakta Christian Ilsøe Svendsgaard, cis@buch-holm.dk för ytterligare information.
Kategorier:
VÄLJ DE PERFEKTA ODLINGSFÖRHÅLLANDENA
Praktiskt taget alla organismer av eukaryot och prokaryot ursprung kan odlas i en inkubatorskakare eller i en bioreaktor. För att förstå de optimala förhållandena för tillväxt måste du undersöka de naturliga tillväxtförhållandena för din organism. Detta kommer att ge en grund för din odling som sedan kan optimeras. I den här bloggen kommer vi att ge en kort fusklista för de vanligaste bakterierna, jästen, svamparna och cellerna.BAKTERIER
Bakterier täcker ett brett spektrum av möjliga tillväxtförhållanden. Förutom "normala" bakterier finns det också de som älskar extrema miljöförhållanden, de extremofila. Exempel på detta är termofila (höga temperaturer) och halofila (höga saltkoncentrationer) mikroorganismer. Fördubblingstiden, dvs. den tid det tar innan en mikroorganismpopulation har fördubblats, kan variera från minuter till dagar. Detta kan bero på nästan vad som helst, t.ex. om det är en anaerob eller kanske en genetiskt modifierad bakterie.Typiska odlingsparametrar för bakterier:
JÄST
Jäst har samma grundläggande krav på blandning, temperatur etc. som bakterier. Därför behöver de vanligtvis inga speciella tillväxtförhållanden - de föredrar vanligtvis en processtemperatur på 30°C och ett svagt surt pH-värde. Bra omrörning eller skakning, tillsammans med tillräcklig syretillförsel, är avgörande för ett bra utbyte av jästbiomassa. Jästmetabolismen genererar mycket värme och det kan vara nödvändigt att kyla processen för att motverka detta och bibehålla en acceptabel temperatur.Typiska odlingsparametrar för jäst:
SVAMPAR
Svampar växer ofta som filamentösa, myceliala cellaggregat som ofta är känsliga för skjuvning. Det är därför de tenderar att fästa vid kärlväggen eller till och med i headspace - för att undkomma skjuvspänningen. Mycelierna bildar linjära strängar eller pellets när de rörs om, vilket kan resultera i ett mycket visköst odlingsmedium som kräver en betydande mängd kraft för att uppnå blandning och avgasning. Detta gör det ofta svårt att identifiera de idealiska driftsparametrarna för svampodling.Typiska odlingsparametrar för svampar:
CELLKULTURER
Odling av växt- eller däggdjursceller innebär att man tar fram en primärkultur av celler, vävnader eller organ som har full metabolisk kapacitet. Celler från mammalieväxter och insekter tenderar att vara mer krävande med särskilda behov för bioreaktorn, särskilt mammalieceller.Typiska odlingsparametrar för mammalieceller:
DE 4 GRUNDLÄGGANDE FASERNA I EN BIOPROCESS
Syftet med en bioprocess är att använda celler eller deras komponenter för att generera mer av en "produkt" på ett så effektivt sätt som möjligt. Detta kan vara själva biomassan eller cellkomponenter som sedan kräver ytterligare bearbetning. Denna nedströmsbearbetning kräver vanligtvis en hel del arbete. För att välja en lämplig bioprocessstrategi är det viktigt med grundläggande kunskaper om de olika faserna i en bioprocess och deras egenskaper.1. Lag-fasen
Efter inympning av en kultur i bioreaktorn måste cellerna först anpassa sig till sina nya miljöförhållanden. Denna period kallas latens- eller fördröjningsfasen. Även om det finns tillräckligt med näringsämnen och, viktigast av allt, inga metaboliska avfallsprodukter i det färska mediet, kan mikroorganismerna/cellerna fortfarande inte växa med full hastighet eftersom de ännu inte har anpassat sig till miljön. De anpassar sig genom att känna av miljöparametrar som temperatur och näringstillförsel för att reglera de lämpliga generna. Detta kan ta lite tid, beroende på organism.Tips: Ett sätt att förkorta fördröjningsfasen är att starta en förkultur i skakflaskan under samma förhållanden (samma medium, samma temperatur) och snabbt överföra cellerna till bioreaktorn under den exponentiella tillväxtfasen. Här kan speciella skakflaskor med överföringslock från THOMSON komma väl till pass.
Schematisk bild av fördröjningsfasen. Den inokulum som tillsätts till odlingsmediet definierar den initiala mängden celler. När bioreaktorn har fyllts ökar antalet livsdugliga celler till en början långsamt eftersom organismerna fortfarande behöver anpassa sig till de rådande miljöförhållandena. Denna fas kallas därför latens- eller fördröjningsfasen.
2. Log-fasen
I den efterföljande exponentiella fasen, som kallas log-fasen, är mikroorganismen idealiskt anpassad till miljön och tillväxthastigheten för de delande cellerna är på topp. Termen "exponentiell tillväxt" kommer från det faktum att antalet celler inte ökar linjärt - det fördubblas ständigt.Cellerna delar sig i högsta möjliga takt och biomassan växer. Nu absorberas och metaboliseras näringsämnen med maximal hastighet, vilket i en aerob bioprocess ökar syrebehovet och koldioxidproduktionen. Kort sagt, näringsämnena utnyttjas så snabbt som möjligt. Under denna process producerar bakterierna också biprodukter som organiska syror eller överskottsvärme. När detta händer måste forskarna använda sig av bioreaktorns breda utbud av verktyg för att förhindra att celltillväxten försämras. I logfasen ökar den ökande mängden biomassa och eventuella lyserade (upplösta) celler halten av fria proteiner i mediet och risken för skumbildning.
Schematisk bild av log-fasen. Cellerna är nu välanpassade och delar sig i högsta möjliga takt eftersom de har alla näringsämnen de behöver. Därför ökar antalet levande celler snabbt i denna fas, som kallas den exponentiella eller log-fasen.
3. Den stationära fasen
Tyvärr kan exponentiell tillväxt inte fortsätta hur länge som helst. Näringsämnena utarmas och toxiska komponenter från döda celler ackumuleras. Till följd av detta minskar tillväxthastigheten i den efterföljande, stationära fasen. I denna fas är dock mikroorganismernas eller cellkulturernas förökning och död fortfarande i balans.
Schematisk bild av den stationära fasen. Näringsämnena är nu uttömda och skadliga produkter börjar ansamlas. Därför börjar cellerna dela sig långsammare tills antalet döende celler är ungefär detsamma som antalet celler som produceras genom delning. Denna fas kallas därför den stationära fasen.
4. DÖDSFASEN
I slutet av bioprocessen, i den så kallade dödsfasen, sjunker tillväxttakten så mycket att många fler celler dör än vad som tillkommer genom ny celldelning. Detta resulterar i en nettoförlust. Beroende på processtyrningen avslutas bioprocessen därför antingen naturligt eller så stoppar användaren den medvetet. Det beror också på hur länge det är meningsfullt att en sådan process fortsätter. Om bioprocessen inte avslutas aktivt dör cellerna gradvis eftersom de helt enkelt har förbrukat sin föda och den toxiska effekten av ackumulerade metaboliter gör resten.Schematisk representation av dödsfasen. Om bioprocessen tillåts gå vidare till dödsstadiet. Detta stadium kännetecknas av ett minskande antal levande celler på grund av otillräckliga näringsämnen och ackumulering av skadliga biprodukter. När fler celler dör än vad som tillförs genom delning minskar antalet levande organismer.
OLIKA STRATEGIER FÖR DIN UPSTREAM-BEHANDLING
Genom att välja rätt processstrategi kan du optimera designen av en bioprocess samtidigt som du maximerar effektiviteten vad gäller produktutbyte och tid. I grund och botten kan dessa delas in i 4 kategorier, den enklaste är single Batch.I en single batch kommer de 4 faserna ovan att köras nästan som i teorin när processen är optimerad. När den har körts till slutet kan skörden genomföras.
I en matad batch försöker vi utöka den exponentiella fasen så långt som möjligt genom att lägga till den begränsande faktorn foder till batchen. När det är färdigt skördar vi.
I en kontinuerlig batch fyller vi reaktorn och kör processen som i en sats. Men vi kommer kontinuerligt att lägga till nya medier och foder samtidigt som vi tar ut celler och/eller produkt. På så sätt, i teorin, kan processen pågå för evigt, eller tills vi får en kontaminering.
I en semi-kontinuerlig bioprocess matchar vi lättheten att köra fettsats med effektiviteten i att köra kontinuerlig sats. Detta görs genom att köra normala fettbatchprocesser, men när du skördar en del media och det finns celler kvar fungerar det som en startkultur för nästa batch. På så sätt kan vi köra oändliga fodersatser utan stillestånd, åtminstone tills vi får en förorening.
Downstream-processbearbetning
När bioprocessen väl är klar följs den vanligtvis av nedströmsbehandling, d.v.s. skörd och bearbetning av de önskade produkterna. Det innebär att andelen som en forskare behåller och bearbetar kan variera beroende på process och önskad produkt. Ta till exempel ett rekombinant protein som, när det frisätts av mikroorganismen eller cellinjen i mediet, kan utvinnas genom att helt enkelt behandla mediet. För ett liknande protein, som inte kan utsöndras - måste forskaren först separera proteinet från cellen (och den komplexa blandningen av lipider, proteiner, nukleinsyror och sockerarter). Produktens egenskaper avgör om reningen är enkel eller mer komplicerad, liksom antalet steg. Dessa procedurer har konsekvenser för avkastning, tid, arbetskraft och kostnader.Generelt omfatter downstream-processbearbetning:
- Cellseparation
- Upplösning av celler
- Extraktion av produkten
- Koncentration
- Rening
- Förpackning
SAMMANFATTNING
Denna översikt har beskrivit tre nyckelområden för biobearbetning för en rad organismer, nämligen:
- De korrekta odlingsförhållandena för de klasser av organismer som används mest i kommersiella bioprocesser som livsmedel, drycker och läkemedelsproduktion.
- De olika tillväxtfaserna för var och en av dessa organismer följer i huvudsak samma väg, samtidigt som de visar stor variation i tidpunkten och utbytet av deras respektive bioprocesser.
- Hur målet med bioprocessen återspeglas i den insats som krävs för olika nedströmssteg för att uppnå en färdig produkt. Vi vill vara din odlingspartner!
Kommentarer (0)
Det finns inga kommentarer än.
Skriv en kommentar
Berätta vad du tycker om den här bloggen och dela din upplevelse med andra. Vänligen inkludera endast innehåll som är relevant för den blogg du kommenterar.
Det finns inga kommentarer än.