Proceso de cultivo de células animales y vegetales y requisitos para el biorreactor.
I. Introducción
La tecnología de cultivo celular se ha utilizado ampliamente en diversos campos, como la biofarmacéutica, la ingeniería genética, la ingeniería de tejidos, la industria alimentaria y las ciencias ambientales. El cultivo de células animales se emplea comúnmente para la producción de vacunas, la preparación de anticuerpos y la expresión de proteínas, mientras que el cultivo de células vegetales se utiliza principalmente para la extracción de principios activos de plantas, la modificación genética y la biosíntesis. Para optimizar las condiciones de cultivo y aumentar el crecimiento celular y el rendimiento del producto, la selección y el diseño del biorreactor son fundamentales. En este artículo, se describirá en detalle el proceso de cultivo de células animales y vegetales, y se analizarán sus requisitos específicos para los biorreactores.
II. El proceso de cultivo de células animales
1. Pasos básicos del cultivo celular
- Preparación e inoculación de células
Seleccione las líneas celulares adecuadas (por ejemplo, células CHO, células HEK293, células Vero, etc.).
Tras la criopreservación, las células se cultivaron en un medio adecuado, como DMEM, RPMI-1640 o un medio enriquecido con FBS.
Inocular en un biorreactor o frasco de cultivo para asegurar la densidad de inoculación adecuada.
- Optimización de las condiciones de cultivo
Temperatura: Generalmente se mantiene entre 36 y 37 °C para simular el ambiente interno de los mamíferos.
pH: Controlado entre 7,0 y 7,4, generalmente mediante regulación con gas CO₂.
Oxígeno disuelto (OD): controlado entre el 30 y el 50 %, mantenido mediante agitación o intercambio de gases.
Aporte nutricional: Proporciona glucosa, glutamina, aminoácidos, vitaminas y otros ingredientes necesarios.
- Expansión y recolección celular
Para aumentar el número de células se utilizaron cultivos por lotes, cultivos con adición de flujo o cultivos por perfusión.
Una vez que las células se cultivan hasta alcanzar la densidad óptima, se pueden obtener productos derivados como anticuerpos, proteínas o partículas virales.
Sistema de biorreactor para cultivo de células animales MIKEBIO
2. Requisitos de biorreactor para el cultivo de células animales
Las células animales son extremadamente sensibles a las fuerzas de cizallamiento y su crecimiento depende de un microambiente específico, por lo que existen los siguientes requisitos para los biorreactores:
- Diseño de mezcla de baja cizalladura
Se utilizan paletas agitadas magnéticamente, accionadas por aire o de baja velocidad para reducir el daño celular causado por el estrés mecánico.
Por ejemplo, los biorreactores Wave se pueden utilizar para cultivos en suspensión con el fin de evitar los efectos de las paletas de agitación sobre las células.
- Intercambio de gases de alta eficiencia
Debe suministrarse oxígeno en cantidad suficiente, pero debe evitarse el estrés oxidativo causado por una concentración excesiva de oxígeno.
La aireación mediante microburbujas o mediante membranas se utiliza para mejorar la eficiencia de la transferencia de oxígeno.
- Control ambiental preciso
El entorno de cultivo se regula automáticamente mediante la monitorización en línea del pH, el oxígeno disuelto, la temperatura y la concentración de CO₂.
Los biorreactores modernos adoptan un sistema de control PID para optimizar el ajuste de parámetros.
- Es adecuado para el cultivo de células adherentes y células en suspensión.
Células adherentes: Se utilizan microportadores (como los de DEAE-dextrano o poliestireno) para proporcionar una superficie que permita el crecimiento de células adherentes.
Células en suspensión: Se puede utilizar directamente un reactor con agitación o de elevación neumática para el cultivo a gran escala.
III. El proceso de cultivo de células vegetales
1. Pasos básicos del cultivo celular
- Selección y preparación de materiales celulares
Seleccione el tejido vegetal apropiado (como hojas, raíces o puntas de tallo) para el tratamiento aséptico.
Se induce la formación de callos vegetales o suspensiones celulares y se transfieren a un medio líquido.
- Optimización de las condiciones de cultivo
Temperatura: Generalmente controlada entre 22 y 28 °C, adecuada para el crecimiento de la mayoría de las células vegetales.
pH: Generalmente se mantiene entre 5,5 y 6,0 para facilitar el metabolismo celular.
Condiciones de luz: Ciertas células vegetales (como las algas) requieren luz, generalmente mediante sistemas de iluminación LED.
Las sustancias reguladoras del crecimiento, como las citoquininas (por ejemplo, 6-BA) y las auxinas (por ejemplo, 2,4-D), regulan la proliferación celular.
- Expansión celular y acumulación de productos objetivo.
El número de células aumentó mediante el cultivo en agitación o en biorreactor.
La acumulación de compuestos activos se ve favorecida por la inducción exógena (por ejemplo, metil metil jasmonato o etileno).
Cosechar células o metabolitos (por ejemplo, alcaloides, flavonoides, terpenos).
2. Requisitos del biorreactor para el cultivo de células vegetales
Las células vegetales son más resistentes al cizallamiento que las células animales, pero tienen mayor viscosidad y características metabólicas, por lo que existen los siguientes requisitos para los biorreactores:
- Sistema de mezcla y ventilación de baja cizalladura
Debido a que las células vegetales son grandes y gruesas, son susceptibles a sufrir daños mecánicos, por lo que es recomendable utilizar un biorreactor de columna de aire o un sistema de agitación por circulación.
Para proporcionar suficiente oxígeno, se suele utilizar la ventilación por burbujas.
- Puede manejar medios de alta viscosidad.
El medio de cultivo de células vegetales es más viscoso que el de células animales, por lo que el diseño del reactor debe tener en cuenta la eficiencia de la mezcla de líquidos.
Los impulsores eficientes, como los impulsores en espiral, se utilizan para optimizar la mezcla y evitar que se formen grumos de células.
- Control preciso de los reguladores del crecimiento
La proporción de auxina y citoquinina se controla con precisión mediante un sistema automatizado para inducir la producción de los metabolitos deseados.
- Fotobiorreactor (para células fotosintéticas)
Se utilizan reactores transparentes o sistemas de iluminación LED integrados para optimizar las condiciones de luz y aumentar la eficiencia de la acumulación de productos (por ejemplo, clorofila, producción de carotenoides).
Sistema de fermentación tipo producción MIKEBIO para hongos comestibles
IV. Resumen
El cultivo de células animales y vegetales desempeña un papel fundamental en la industria biológica, pero presenta diferencias significativas en cuanto a condiciones de cultivo, requisitos ambientales y selección de biorreactores. El cultivo de células animales requiere agitación de baja cizalladura, intercambio gaseoso eficiente y control ambiental preciso, mientras que el cultivo de células vegetales requiere alta resistencia a la viscosidad, agitación de baja cizalladura y regulación precisa de los reguladores del crecimiento. Seleccionar el biorreactor adecuado para cada tipo de célula no solo mejora la supervivencia celular y el rendimiento del producto deseado, sino que también optimiza el proceso de producción e impulsa el desarrollo de la industria biotecnológica. En el futuro, la combinación de biorreactores con automatización y tecnología de control inteligente mejorará aún más la eficiencia y la controlabilidad del cultivo celular, y ofrecerá perspectivas de aplicación más amplias para la biofarmacia, la agricultura y la protección del medio ambiente.
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