Kultivierungsprozess von Tier- und Pflanzenzellen und Anforderungen an den Bioreaktor
I. Einleitung
Die Zellkulturtechnologie findet in vielen Bereichen breite Anwendung, darunter Biopharmazie, Gentechnik, Gewebezüchtung, Lebensmittelindustrie und Umweltwissenschaften. Tierische Zellkulturen werden häufig für die Impfstoffproduktion, die Antikörperherstellung und die Proteinexpression eingesetzt, während pflanzliche Zellkulturen hauptsächlich zur Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe, zur genetischen Modifizierung und zur Biosynthese genutzt werden. Um die Kulturbedingungen zu optimieren und das Zellwachstum sowie die Produktausbeute zu steigern, ist die Auswahl und Konstruktion von Bioreaktoren von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel werden die Kultivierungsprozesse von tierischen und pflanzlichen Zellen detailliert beschrieben und ihre spezifischen Anforderungen an Bioreaktoren erörtert.
II. Der Kultivierungsprozess von Tierzellen
1. Grundlegende Schritte der Zellkultur
- Zellpräparation und Inokulation
Geeignete Zelllinien auswählen (z. B. CHO-Zellen, HEK293-Zellen, Vero-Zellen usw.).
Nach der Kryokonservierung wurden die Zellen in einem geeigneten Medium wie DMEM, RPMI-1640 oder FBS-angereichertem Medium kultiviert.
Um eine korrekte Beimpfungsdichte zu gewährleisten, sollte die Kultur in den Bioreaktor oder die Kulturflasche inokuliert werden.
- Optimierung der Kulturbedingungen
Temperatur: Wird üblicherweise bei 36-37°C gehalten, um das innere Milieu von Säugetieren zu simulieren.
pH-Wert: Wird im Bereich von 7,0-7,4 geregelt, üblicherweise mittels CO₂-Gasregulierung.
Gelöster Sauerstoff (DO): Kontrolle auf 30-50%, Aufrechterhaltung durch Rühren oder Gasaustausch.
Nährstoffversorgung: Bereitstellung von Glukose, Glutamin, Aminosäuren, Vitaminen und anderen notwendigen Inhaltsstoffen.
- Zellvermehrung und Ernte
Zur Vermehrung der Zellen wurden Batch-Kultur, Durchflusskultur oder Perfusionskultur eingesetzt.
Nachdem die Zellen bis zur optimalen Zelldichte kultiviert wurden, können Folgeprodukte wie Antikörper, Proteine oder Viruspartikel gewonnen werden.
MIKEBIO Bioreaktorsystem für Tierzellkulturen
2. Anforderungen an Bioreaktor für Tierzellkultur
Tierische Zellen reagieren äußerst empfindlich auf Scherkräfte und ihr Wachstum hängt von einer spezifischen Mikroumgebung ab, daher gelten für Bioreaktoren folgende Anforderungen:
- Mischdesign mit niedriger Scherung
Magnetisch gerührte, luftgehobene oder langsam laufende Rührwerke werden eingesetzt, um Zellschäden durch mechanische Belastung zu reduzieren.
Beispielsweise können Wave-Bioreaktoren für Suspensionskulturen eingesetzt werden, um die Auswirkungen von Rührflügeln auf die Zellen zu vermeiden.
- Hocheffizienter Gasaustausch
Es sollte ausreichend Sauerstoff zugeführt werden, oxidativer Stress durch übermäßige Sauerstoffkonzentration sollte jedoch vermieden werden.
Zur Verbesserung der Sauerstoffübertragungseffizienz wird ein Mikroblasen- oder Membranbelüftungssystem eingesetzt.
- Präzise Umweltkontrolle
Die Kulturbedingungen werden automatisch durch Online-Überwachung von pH-Wert, gelöstem Sauerstoff, Temperatur und CO₂-Konzentration reguliert.
Moderne Bioreaktoren nutzen ein PID-Regelungssystem zur Optimierung der Parametereinstellung.
- Es eignet sich für die Kultur von adhärenten Zellen und Suspensionszellen.
Anhaftende Zellen: Mikroträger (wie z. B. DEAE-Dextran- oder Polystyrol-Mikroträger) werden verwendet, um eine Oberfläche für das anhaftende Wachstum bereitzustellen.
Suspensionszellen: Für die großtechnische Kultivierung können direkt Rühr- oder Airlift-Reaktoren eingesetzt werden.
III. Der Kultivierungsprozess von Pflanzenzellen
1. Grundlegende Schritte der Zellkultur
- Auswahl und Aufbereitung von Zellmaterialien
Geeignetes Pflanzengewebe (z. B. Blätter, Wurzeln oder Stängelspitzen) für die aseptische Behandlung auswählen.
Pflanzenkallus oder Zellsuspension wird induziert und in ein flüssiges Medium überführt.
- Optimierung der Kulturbedingungen
Temperatur: Im Allgemeinen bei 22-28°C gehalten, geeignet für das Wachstum der meisten Pflanzenzellen.
pH-Wert: Wird üblicherweise bei 5,5-6,0 gehalten, um den Zellstoffwechsel zu fördern.
Lichtverhältnisse: Bestimmte Pflanzenzellen (wie z. B. Algen) benötigen Licht, üblicherweise werden LED-Beleuchtungssysteme eingesetzt.
Wachstumsregulierende Substanzen wie Cytokinine (z. B. 6-BA) und Auxin (z. B. 2,4-D) regulieren die Zellproliferation.
- Zellvermehrung und Akkumulation von Zielprodukten
Die Zellzahl wurde durch Schüttelkultur oder Bioreaktorkultur erhöht.
Die Anreicherung von Wirkstoffen wird durch exogene Induktion (z. B. Methyljasmonat oder Ethylen) gefördert.
Ernte von Zellen oder Metaboliten (z. B. Alkaloide, Flavonoide, Terpene).
2. Anforderungen an einen Bioreaktor für die Pflanzenzellkultur
Pflanzenzellen sind scherfester als Tierzellen, weisen aber eine höhere Viskosität und andere Stoffwechseleigenschaften auf, weshalb für Bioreaktoren folgende Anforderungen gelten:
- Niedrigscher-Misch- und Belüftungssystem
Da Pflanzenzellen groß und dick sind, sind sie anfällig für mechanische Beschädigungen. Daher empfiehlt sich der Einsatz eines Airlift-Bioreaktors oder eines Umwälzrührsystems.
Um ausreichend Sauerstoff zuzuführen, wird üblicherweise eine Blasenbelüftung eingesetzt.
- Kann mit hochviskosen Medien umgehen
Das Kulturmedium für Pflanzenzellen ist viskoser als das für Tierzellen, daher muss bei der Reaktorkonstruktion die Effizienz der Flüssigkeitsmischung berücksichtigt werden.
Um eine optimale Durchmischung zu gewährleisten und das Absetzen von Zellklumpen zu vermeiden, werden effiziente Rührwerke, wie z. B. Spiralrührwerke, eingesetzt.
- Präzise Steuerung von Wachstumsregulatoren
Das Verhältnis von Auxin und Cytokinin wird durch ein automatisiertes System präzise gesteuert, um die Produktion der Zielmetaboliten auszulösen.
- Photobioreaktor (für photosynthetische Zellen)
Transparente Reaktoren oder eingebaute LED-Beleuchtungssysteme werden eingesetzt, um die Lichtverhältnisse zu optimieren und die Effizienz der Produktakkumulation (z. B. Chlorophyll-, Carotinoidproduktion) zu steigern.
MIKEBIO Produktionsfermentationssystem für Speisepilze
IV. Zusammenfassung
Tier- und Pflanzenzellkulturen spielen eine wichtige Rolle in der Biotechnologie, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihren Kulturbedingungen, Umweltanforderungen und der Auswahl geeigneter Bioreaktoren. Tierzellkulturen erfordern eine schonende Rührung, einen effizienten Gasaustausch und eine präzise Umweltkontrolle, während Pflanzenzellkulturen eine hohe Viskositätsbeständigkeit, eine schonende Rührung und die präzise Steuerung von Wachstumsregulatoren benötigen. Die Wahl des richtigen Bioreaktors für verschiedene Zelltypen kann nicht nur das Zellüberleben und die Ausbeute des Zielprodukts verbessern, sondern auch den Produktionsprozess optimieren und die Entwicklung der Biotechnologie fördern. Zukünftig werden Bioreaktoren in Kombination mit Automatisierungs- und intelligenter Steuerungstechnik die Effizienz und Kontrollierbarkeit der Zellkultur weiter steigern und breitere Anwendungsmöglichkeiten in der Biopharmazie, der Landwirtschaft und im Umweltschutz eröffnen.
Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.
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