بیوراکتور چیست؟

بیوراکتور ظرفی است که در آن یک فرآیند شیمیایی انجام می شود که شامل ارگانیسم ها یا مواد فعال بیوشیمیایی مشتق شده از چنین موجوداتی است. این فرآیند می تواند هوازی یا بی هوازی باشد. این بیوراکتورها معمولاً استوانه‌ای هستند و اندازه آن ها از لیتر تا متر مکعب متغیر است و اغلب از فولاد ضد زنگ ساخته می‌شوند. همچنین ممکن است به دستگاه یا سیستمی اشاره داشته باشد که برای رشد سلول‌ها یا بافت‌ها در زمینه کشت سلولی طراحی شده است. بر اساس نحوه عملکرد، یک بیوراکتور ممکن است به‌عنوان Batch، Fed-Batch یا Continuous طبقه‌بندی شود (مثلاً مدل راکتور مخزن همزن Continuous). نمونه ای از بیوراکتور Continuous، کیموستات است. ارگانیسم هایی که در بیوراکتورها رشد می کنند ممکن است در محیط مایع غوطه ور شوند یا ممکن است به سطح یک محیط جامد متصل شوند. کشت های غوطه ور ممکن است معلق یا بی حرکت شوند. بیوراکتورهای معلق می توانند از تنوع گسترده تری از ارگانیسم ها استفاده کنند، زیرا سطوح چسبندگی خاصی مورد نیاز نیست و می توانند در مقیاس بسیار بزرگتر از کشت های بی حرکت کار کنند. با این حال، در فرآیندی که به طور مداوم کار می کند، موجودات زنده همراه با پساب از راکتور خارج می شوند. بی‌حرکتی یک اصطلاح کلی است که طیف گسترده‌ای از روش‌ها را برای اتصال یا به دام انداختن سلول یا ذرات توصیف می‌کند. این روش می‌تواند اساساً برای همه انواع بیوکاتالیز از جمله آنزیم‌ها، اندامک‌های سلولی، سلول‌های حیوانی و گیاهی به کار رود. ارگانیسم ها با پساب راکتور حذف نمی شوند، اما در مقیاس محدود هستند زیرا میکروب ها فقط در سطوح ظرف وجود دارند. بیوراکتورها و فرآیندهای آن‌ها می‌توانند به عنوان یک موضوع طاقت‌فرسا برای یادگیری به نظر برسند و اصطلاحات علمی زیادی برای یادگیری دارند. به همین دلیل است که ما این راهنمای ساده را برای فرآیندهای بیوراکتور در اینجا آورده ایم که اصطلاحات، مکانیسم‌ها و انواع فرآیندها به راحتی قابل درک شوند.

بیوراکتور دقیقاً چیست؟

هر دستگاه یا سیستم ساخته شده ای که بتواند یک محیط فعال بیولوژیکی را پشتیبانی کند به عنوان بیوراکتور شناخته می شود. بیوراکتور وسیله ای مهندسی شده است که شرایط بهینه را برای تکثیر سلول فراهم می کند. این شرایط بهینه شامل سطح pH ایده آل، دمای تنظیم شده و تامین کافی اکسیژن یا هر گاز دیگری که برای آن سیستم بیولوژیکی خاص مورد نیاز است، می باشد. بیوراکتور همچنین باید از عرضه کافی غذا اطمینان حاصل کند. بیوراکتورها به طور خاص با توجه به انواع سلول های کشت داده شده برای به دست آوردن نتایج خوب کالیبره می شوند. اما یک بیوراکتور دقیقا چگونه کار می کند؟ داده ها در آن چگونه جمع آوری می شوند؟ اگر مشکلی پیش بیاید چه؟ آیا سیستم چک و تعادل وجود دارد؟

اختلاط محیط کشت

بیوراکتور به عنوان ظرفی شناخته می شود که یک واکنش بیولوژیکی برای کشت سلول های هوازی انجام می دهد. کشت سلولی در بیوراکتور باید پس از دوره های مختلف کاملاً مخلوط شود. این اختلاط محیط کشت ها با کمک پروانه های طراحی شده مخصوص بیوراکتور انجام می شود. مخلوط کردن برای تقسیم همگن مواد مغذی و دما و همچنین برای تنظیم pH در اطراف کشت سلولی مورد نیاز است. همه این موارد برای جلوگیری از توزیع نابرابر pH، دما و مواد مغذی انجام می شود. باید به شدت در نظر داشت که اختلاط باید با احتیاط انجام شود زیرا اختلاط شدید می تواند سلول ها را از بین ببرد. همچنین می تواند منجر به اصلاح ژنتیکی شود و ما به نتایج دلخواه خود نخواهیم رسید.

دمای مطلوب

یک ارگانیسم یا محیط فعال بیولوژیکی همیشه به دما حساس است. آن ها تحت یک محدوده دمایی مشخص به خوبی کار می کنند. هر آنزیمی می تواند عملکرد خود را در معرض دمای بسیار بالا یا دمای بسیار پایین کاهش دهد. بنابراین، حفظ و تنظیم مقدار دمای مورد نیاز برای تکثیر کشت سلولی در بیوراکتور بسیار مهم است. مقادیر دمای مورد نظر برای آنزیم های پستانداران حدود 37 درجه سانتیگراد است. سلول‌های پستانداران، سلول‌های حشرات و سلول‌های گیاهی همگی در یک محدوده دمایی ایده‌آل مشترک هستند (از 25 تا 37 درجه سانتی‌گراد). دمای ایده آل برای سلول های باکتری ها، مخمرها و قارچ ها بین 20 تا 60 درجه سانتی گراد است. به طور کلی، دمای یک بیوراکتور باید در کل فرآیند ثابت نگه داشته شود. با این حال، گاهی اوقات ممکن است دما در انتهای فرآیند واکنش کاهش یابد تا محصولات جانبی ارزشمندی به دست آید که بعداً مورد استفاده قرار گیرند. این محصولات جانبی ممکن است شامل پنی سیلین و سایر پروتئین های نوترکیب باشد. این تابع به عنوان تغییر دما شناخته می شود. این تکنیک برای نگهداری محصول نهایی در شرایط پایدار آن استفاده می شود.

pH کنترل شده

حفظ مقدار pH یک عامل بسیار مهم در فرآیند بیوراکتور است. داشتن pH نامتعادل می تواند اثرات منفی مانند تغییر نتایج مورد نظر یا حتی آسیب رساندن به کشت سلولی داشته باشد. به همین دلیل است که بیوراکتورها دارای حسگرهای pH هستند که همیشه برای اندازه گیری مقدار pH استفاده می شوند. بافرها نیز معمولاً در سیستم رسانه وجود دارند که می توانند از هرگونه تغییر ناگهانی در pH جلوگیری کنند.

مواد مغذی

مواد مغذی مصرف شده توسط کشت سلولی معمولاً بسیار اساسی و ارگانیک هستند. اجزای اصلی مواد مغذی عبارتند از: آب، گلوکز، کربن، نیتروژن، فسفر، نمک ها، مواد معدنی، عناصر کمیاب، ویتامین های مختلف و اسیدهای آمینه ضروری موجود بسته به ارگانیسم هایی که در بیوراکتور رشد می کنند متفاوت خواهند بود.

گازرسانی و فشار کنترل شده

مخلوطی از گازها در بیوراکتور برای رشد کشت سلولی وارد می شود. هم زدن مداوم گاز (اکسیژن) را به طور مساوی در محیط کشت توزیع می کند. هرچه فشار در ظرف بیشتر باشد، اکسیژن بیشتری حل می شود. با توجه به این فشارهای بالا، به همین دلیل است که بیوراکتورها به جای شیشه یا مواد دیگر با فولاد ضد زنگ طراحی می شوند. اگر یک محیط بی هوازی وجود داشته باشد، به گاز نیازی نیست، زیرا آن ها از مواد آلی تغذیه می کنند.

جلوگیری از ایجاد کف

جلوگیری از فوم در بیوراکتورها بسیار توصیه می شود زیرا راه جریان گازها را مسدود می کند. از سیستم های کنترل ضد کف یا مواد ضد کف استفاده می شود. این مواد شیمیایی با توجه به کشت سلولی متفاوت استفاده می شوند زیرا این مواد شیمیایی ضد کف می توانند با آنزیم ها واکنش دهند.

انواع فرآیندهای بیوراکتور چیست؟

هنگامی که صحبت از نحوه عملکرد آن می شود، فرآیند بیوراکتور به چهار دسته زیر تقسیم می شود. بیایید بررسی کنیم که هر یک از این فرآیندها شامل چه مواردی هستند.

Batch

فرآیند Batch یا دسته ای ساده ترین فرآیند بیوراکتور است. چگونه کار می کند؟ یک بیوراکتور با مقدار مشخصی محیط پر می شود، سپس سلول ها به بیوراکتور تلقیح می شوند. کشت سلولی مواد مغذی را مصرف می‌کند و رشد می‌کند و سپس محصول برداشت می‌شود. مقدار محدود و معینی از محصول در پایان به دست می آید. کنترل و نگهداری این فرآیند آسان است، زیرا به تلاش کمی نیاز است. فرآیند دسته ای عمدتاً در داروسازی و مواد شیمیایی ویژه استفاده می شود.

Fed-Batch

فرآیند Fedd-Batch یا تغذیه دسته ای مشابه فرآیند دسته ای است، به جز یک مرحله اضافی اضافه شده است. به جای پر کردن یک بیوراکتور در ابتدا با محیط و سلول‌های تلقیح‌شده، فرآیند تغذیه دسته‌ای شامل افزودن خوراک‌های تازه از مواد مغذی مورد نیاز در طول دوره است. این اجازه می دهد تا سلول های اضافی رشد کنند و منجر به بازده محصول بالاتر می شود.

Perfusion

فرآیند بیوراکتور پرفیوژن از فیلترهای جریان مماسی برای حذف ترکیبات ناخواسته (مانند اسید لاکتیک) استفاده می‌کند، که به فرآیند اجازه می‌دهد بیشتر از فرآیند دسته‌ای یا تغذیه دسته‌ای دوام بیاورد و در نهایت منجر به تراکم سلولی بالاتر و بازده محصول بالاتر می‌شود. پرفیوژن همچنین شامل بازیافت برخی از محیط های کشت می شود.

Continuous

همانطور که از نام آن پیداست، پردازش پیوسته یا Continuous یک فرآیند پیوسته است. یک بیوراکتور به حالت ثابتی می رسد که در آن سرعت رشد سلول ها برابر با نرخ مرگ است. یک جریان پیوسته از خوراک همیشه به بیوراکتور اضافه می شود و یک تغذیه پیوسته از محصول همیشه از بیوراکتور خارج می شود. این به فرآیند امکان می دهد تا به طور نامحدود اجرا شود، بدون توقف بین دسته ها، بدون تغییر دسته، و بدون نیاز به کارهای تمیز کردن گران قیمت. با این حال، پردازش مداوم هنوز در مراحل اولیه توسعه است و به یک سیستم عملیاتی و کنترلی بسیار پیچیده نیاز دارد. صنعت نفت و صنعت کود از فرآیندهای مستمر استفاده می کنند. سپس به این سلول ها محیط کشت سلولی غنی از مواد مغذی داده می شود که سلول ها را تغذیه می کند و آن ها را قادر می سازد رشد کرده و به گوشت تبدیل شوند. این خوراک معمولا حاوی اجزایی مانند اسیدهای آمینه، ویتامین ها، گلوکز، نمک های معدنی و فاکتورهای رشد است. ترکیب دقیق محیط کشت سلولی به رده سلولی و گونه های سلولی بستگی دارد. در داخل بیوراکتور، سلول ها تحت تکثیر و تمایز قرار می گیرند. این بدان معنی است که آن ها به تعداد زیادی سلول تبدیل می شوند و سپس به نوع سلولی مطلوب و نهایی مناسب برای مصرف تبدیل می شوند. گاهی اوقات، یک داربست به عنوان یک ساختار حمایتی ارائه می شود که سلول ها را تشویق می کند تا رشد کنند و به شکل خاصی در بیایند.

مراحل فرآیند بیوراکتور چیست؟

در پردازش بیوراکتور سه مرحله وجود دارد: پردازش بالادستی، برداشت و پردازش زیستی پایین دست. این ها اصطلاحاتی هستند که در پردازش زیستی به ویژه در صنعت داروسازی استفاده می شود.

پردازش بالادستی

پردازش بالادست مرحله ای است که در آن سلول ها در بیوراکتورها فرموله و رشد می کنند. این شامل تمام مراحل مربوط به توسعه تلقیح، توسعه کشت، بهینه سازی سینتیک رشد و موارد مشابه است. پس از تولید محصول در بیوراکتور، نوبت به مرحله برداشت می رسد.

برداشت

برداشت مرحله بین پردازش بالادست و پایین دست است که در آن کشت سلولی به نقطه ای می رسد که تولید زیست توده کافی وجود دارد. این نقطه اوج است که پس از آن فرآیند برداشت می شود و سپس به سمت پردازش پایین دست هدایت می شود.

پردازش پایین دست

مرحله پردازش پایین دست با استخراج و جداسازی محصولات مورد نظر از زیست توده به دست آمده توسط خطوط سلولی سروکار دارد. این شامل فرآیند فیلتراسیون یا سانتریفیوژ است. آبگیری و تصفیه محصول نیز انجام می شود. به طور خلاصه، پردازش پایین‌دست مرحله‌ای است که در آن کشت‌های سلولی برداشت‌شده برای برآوردن نیازهای خلوص و کیفیت پردازش می‌شوند.

انواع بیوراکتور

فوتوبیوراکتور (فتوبیوراکتور خزه با Physcomitrella Patens)

فوتوبیوراکتور (PBR) بیوراکتوری است که دارای نوعی منبع نور است (که ممکن است نور طبیعی خورشید یا نور مصنوعی باشد). تقریباً هر ظرف نیمه شفافی را می توان PBR نامید، با این حال این اصطلاح بیشتر برای تعریف یک سیستم بسته به کار می رود (برخلاف مخزن یا حوض ذخیره باز). فتوبیوراکتورها برای رشد ارگانیسم های فوتوتروف کوچک مانند سیانوباکتری ها، جلبک ها یا گیاهان خزه استفاده می شوند. این موجودات از نور از طریق فتوسنتز به عنوان منبع انرژی خود استفاده می کنند و به قند یا چربی به عنوان منبع انرژی نیاز ندارند. در نتیجه، خطر آلودگی با ارگانیسم‌های دیگر مانند باکتری‌ها یا قارچ‌ها در فتوبیوراکتورها در مقایسه با بیوراکتورهای موجودات هتروتروف کمتر است.

تصفیه فاضلاب

تصفیه فاضلاب معمولی از بیوراکتورها برای انجام فرآیندهای اصلی تصفیه استفاده می کند. در برخی از این سیستم ها، یک محیط بی اثر شیمیایی با سطح بسیار بالا به عنوان بستری برای رشد فیلم بیولوژیکی ارائه می شود. جداسازی فیلم بیولوژیکی اضافی در مخازن ته نشینی یا سیکلون ها صورت می گیرد. در سیستم‌های دیگر اکسیژن را به فاضلاب و موجودات زنده می‌رسانند. در این فرآیندها، تقاضای بیوشیمیایی اکسیژن مایع (BOD) به اندازه کافی کاهش می یابد تا آب آلوده برای استفاده مجدد مناسب شود. بیوسولیدها را می توان برای پردازش بیشتر جمع آوری یا خشک نمود و به عنوان کود استفاده کرد. یک نسخه بسیار ساده از بیوراکتور فاضلاب یک مخزن سپتیک است که به موجب آن فاضلاب در محل با یا بدون محیط کشت اضافی برای نگهداری باکتری ها باقی می ماند. در این مثال، لجن زیستی، خود میزبان اصلی باکتری است.

بیوراکتور برای بافت های تخصصی

بیوراکتوری که برای تخمیر اتانول حاصل از ضایعات ذرت بارگیری شده با مخمر استفاده می شود. بسیاری از سلول‌ها و بافت‌ها، به‌ویژه پستانداران، برای رشد باید دارای سطح یا سایر تکیه‌گاه‌های ساختاری باشند و محیط‌های آشفته اغلب برای این نوع سلول‌ها و بافت‌ها مخرب هستند. ارگانیسم‌های متکامل تر، چون اکسوتروف هستند، به محیط‌های رشد بسیار تخصصی نیز نیاز دارند. هنگامی که هدف کشت مقادیر بیشتری از سلول ها برای اهداف تولید درمانی باشد، این یک چالش ایجاد می کند و طراحی به طور قابل توجهی متفاوت در مقایسه با بیورآکتورهای صنعتی مورد استفاده برای رشد سیستم های بیان پروتئین مانند مخمر و باکتری مورد نیاز است. بسیاری از گروه های تحقیقاتی بر بیوراکتورهای جدیدی برای رشد بافت ها و سلول های تخصصی روی داربست ساختاری، در تلاش برای بازسازی ساختارهای بافتی اندام مانند در شرایط آزمایشگاهی، تحقیق می کنند. از جمله این بیوراکتورهای بافتی هستند که می‌توانند بافت قلب، بافت ماهیچه‌ای اسکلتی، رباط‌ها، مدل‌های بافت سرطانی و غیره را رشد دهند. در حال حاضر، تولید مقیاس این بیوراکتورهای تخصصی برای استفاده صنعتی همچنان چالش برانگیز است و یک منطقه فعال تحقیقاتی است.

بیوراکتور برای چه مواردی استفاده می شود؟

سیستم های بیوراکتور یک جزء حیاتی در فرآیند مهندسی بافت سه بعدی و تشکیل ساختارهای بافتی هستند. بیوراکتورها برای ارائه یک محیط فیزیولوژیکی خاص بافت در شرایط آزمایشگاهی در طول بلوغ بافت استفاده می شوند. بر اساس فناوری بیوراکتور، سیستم های بافتی مختلف را می توان در شرایط آزمایشگاهی انکوبه کرد.

چرا بیوراکتورها مهم هستند؟

بیوراکتورها بقای سلول را از طریق تحویل کافی مواد مغذی ضروری در سراسر ساختار مهندسی بافت سه بعدی تضمین می کنند. بیوراکتورها همچنین می توانند ساختار بافت، سازماندهی و در نهایت عملکرد را از طریق اعمال محرک های شیمیایی و مکانیکی هدایت کنند.

درباره فناوری های گوشت آینده

Future Meat Technologies یاگوشت های پرورشی توسط این فناوری به بازار عرضه می شود. شرکت Future Meat، اولین شرکتی در جهان است که یک خط صنعتی فعال برای گوشت پرورشی افتتاح کرده است و در کمتر از دو سال رکورد قیمت را شکسته و سینه مرغ پرورشی را فقط با قیمت 3.90 دلار تولید نموده است و در این فرآیند هیچ مرغی آسیب ندید! ماموریت آن ها این است که گوشتی بسازند که هم پایدار و هم مقرون به صرفه باشد و برای رسیدن به این هدف به خوبی در حال تحقیق و توسعه هستند.

منبع: Future Meat