biotechnologia


 
 

Bioreaktory stosowane w hodowli in vitro kultur korzeni transformowanych

Autor: Paulina Kęska

Bioreaktor, zwany także fermentatorem/fermentorem to urządzenie umożliwiające prowadzenie procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych, jak również hodowle komórkowe. Ich konstrukcja pozwala na kontrolę procesu produkcyjnego i optymalizację warunków procesów poprzez pomiar i regulację parametrów.

Bioreaktory znajdujące zastosowanie w kulturach korzeni transformowanych podlegają klasyfikacji według ogólnego kryterium metody dostarczania energii do mieszania i transportu masy. Zgodnie z nim wyróżniamy: bioreaktory z mieszaniem mechanicznym, pneumatycznym, hydraulicznym. Pierwsze próby powiększenia skali hodowli korzeni włośnikowatych z kolb wstrząsanych związane były z użyciem bioreaktorów mieszadłowych zaprojektowanych do procesów mikrobiologicznych. Nie znalazły one niestety dużego zastosowania. W tego typu bioreaktorach, w strefie pracy mieszadła, występują zbyt silne siły ścinające, niszczące delikatną strukturę korzeni włośnikowatych, powodując przez to powstawanie kalusa. Na podobne procesy napotykano stosując bioreaktory bębnowe czy typu air-lift [Chmiel i inni, 2001]. Skonstruowanie najbardziej odpowiedniego bioreaktora, znajdującego uniwersalne zastosowanie do kultur korzeni włośnikowatych jest nadal tematem podejmowanym przez naukowców. Obecnie zadowalające wyniki uzyskano przy zastosowaniu bioreaktora rozpyłowego nazywanego też mgłowym (mist bioreactor). Są to urządzenia zaliczane do grupy bioreaktorów z mieszaniem hydraulicznym specjalnej konstrukcji ze złożem zraszanym. Korzenie transformowane rozwijają się w nich na specjalnych nośnikach w atmosferze jałowego powietrza, natomiast zasilanie ich w składniki odżywcze zachodzi poprzez doprowadzanie pożywki rozpylonej w postaci mgły. Może ona zostać wytworzona za pomocą ultradźwiękowych generatorów mgły czy przez zastosowanie specjalnie skonstruowanych dysz rozpylających, umieszczonych zazwyczaj na zewnątrz urządzenia. Zastosowanie generatorów mgły może spowodować zmiany temperatury w reaktorze, co powoduje utrudnienie procesów [Huang i inni, 2004]. Konstrukcja bioreaktora typu mist zapewnia eliminację warunków powstawania sił ścinających i ułatwia penetrację tlenu w głąb wzrastającej biomasy. Zaletą bioreaktorów rozpyłowych najczęściej podkreślaną przez naukowców jest zdolność do eliminacji niedoborów tlenu, które powstają w przypadku systemu z fazę ciekłą. Jest to istotna cecha, głównie ze względu na fakt, iż niedostateczna ilość tlenu ogranicza zdolność do osiągania dużych gęstości biomasy.

Podczas zakładania hodowli w bioreaktorze rozpyłowym należy uwzględnić między innymi wielkość korzeni, sposób upakowania na podłożu oraz sposób dozowania pożywki, tj. średnicę cząstek mgły, jej gęstości oraz sposób jej dyfuzji. Kropelki cieczy generowanych przez atomizer powinny być na tyle małe, aby zwiększać powierzchnię wymiany masy, co daje możliwość szybkiego uzupełnienia składników odżywczych i dostateczną podaż tlenu. Natomiast ilość jak i częstotliwość dozowania pożywki wpływają na osiągnięcie pożądanego tempa wzrostu. Związane jest to z możliwościami dostarczenia odpowiednich ilości substancji odżywczych zawartych w rozpylanej pożywce. Ich niedobór powoduje osiąganie niewystarczającej ilości biomasy. Zakłada się, że ilość rozpylonej pożywki w postaci mgły powinna być równa lub większa od objętości wymaganych do prawidłowego wzrostu kultury. Zazwyczaj pożywka podawana jest w systemie okresowym, gdyż jak podaje literatura, rozwiązanie to wpływa korzystnie na namnażanie się biomasy [Huang i inni,2004]. Najczęściej pożywka podawana jest metodą okresową. Nie ma z góry ustalonych parametrów częstotliwości jej podaży. Jest ona wyznaczana eksperymentalnie, oddzielnie dla każdej rośliny. W badaniach prowadzonych na Artemisia Anna zaliczanej do rodziny astrowatych, najodpowiedniejszym rozwiązaniem było podawanie rozpylonej pożywki przez 1 minutę co 15 minut [Chatterjee i inni, 1997].

Na osiągnięcie wysokiej produktywności biomasy z korzeni włośnikowatych wpływa także gęstość inokulum. Powinna być ona optymalna, dostosowana do całkowitej objętości bioreaktora, tak na przykład w badaniach prowadzonych nad Stizolobium hassjoo ustalono, że dozując inokulum składające się z 80-120 korzeni uzyskuje się najwyższą wydajność bioreaktora o objętości 3 l [Huang i inni, 2004]. W przypadku większych bioreaktorów, ilość korzeni powinna być odpowiednio zwiększana.

Korzenie umieszcza się na specjalnie skonstruowanych półkach. Zbudowane są one z siatki ze stali kwasoodpornej o odpowiednio dobranych oczkach. Muszą być one dopasowane do wielkości korzeni, z jednej strony stanowić dla nich podłoże, z drugiej umożliwiać swobodny przepływ tlenu czy składników odżywczych do niższych półek [Chatterjee i inni, 1997]. Równie istotnym czynnikiem jest wysokość umieszczonych siatek, np. w przypadku zastosowania generatora mgły zalecane jest umieszczenie siatek w górnej części bioreaktora [Chmiel i inni, 2001]. Umieszczenie siatki na odpowiednim poziomie umożliwia sprawne namnażanie się korzeni. Rozwiązanie konstrukcyjne bioreaktora rozpyłowego wymaga zastosowania dwóch, odrębnych zbiorników. Pierwszy z nich to tzw. zasadniczy zbiornik, w którym zachodzi główny proces namnażania biomasy i produkcji metabolitów wtórnych. Powinien mieć on odpowiednio wyprofilowane, wypukłe dno z zainstalowanym króćcem pozwalającym na całkowity spływ nadmiaru pożywki. Drugi zbiornik, zwany pośredniczącym stanowi rezerwuar pożywki. Pokrywa tego zbiornika zawierać powinna króćce umożliwiające wyprowadzenie i doprowadzenie pożywki. Ponadto rozwiązania konstrukcyjne tego reaktora powinny umożliwiać czynności polegające między innymi na pobieraniu prób czy wprowadzaniu elektrod pomiarowych np. czujnik temperatury, ciśnienia czy pH [Chmiel i inni, 2001]. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego bioreaktora rozpyłowego podano niżej (rysunek 1).




Rysunek 1. Bioreaktory z mieszaniem hydraulicznym a) rozpyłowy – rozpylanie cieczy za pomocą generatora mgły, b) rozpyłowy – rozpylanie cieczy za pomocą dyszy rozpyłowej. [Pawłowska i inni, 2005]


Procesy bioreaktorowe były wykorzystywane do otrzymywania takich metabolitów wtórnych jak: berberyna (uzyskiwana z berberysu zwyczajnego), shikonin czy ginsenozydy (z żeń-szenia) [Huang i inni, 2004]. Przykładem zastosowania reaktora typu mist (mgłowego) była produkcja artemizyny – związku zaliczanego do laktonów seskwiterpenowych. W produkcji tego związku wykorzystano kultury korzeni włośnikowatych Artemisia Anna (bylica roczna) zaliczana do rodziny astrowatych [Sivakumar i inni, 2012].


Literatura:
1. Chatterjee C., Correll M.J., Weathers P.J., Wyslouzil B.E., Walcerz D.B.; 1997; Simplified acoustic window mist Bioreaktor; Biotechnology Techniques, Vol 11 No 3;. 155–158.
2. Chmiel A., Pawłowska B., Kochan E., Ledakowicz S.; 2001; Kultury korzeni transformowanych Paulownia tomentosa Steudt. W kolbach wstrząsanych i bioreaktorze rozpyłowym; Annales UMSC vol. IX Supl, Sectio EEE; 287-292.
3. Huang Shih-Yow, Hung Chia-Hung, Chou Shih-Nung; 2004; Innovative strategies for operation of mist trickling reactors for enhanced hairy root proliferation and secondary metabolite productivity; Enzyme and Microbial Technology 35; 22–32.
4. Pawłowska B, Ledakowicz S. Chmiel A,; 2005; Wzrost warunków korzeni transformowanych w bioreaktorach ; Biotechnologia 2 (96) 2005 , 88-102
5. Sivakumar G,. Liu Ch., Towler M.J., Weathers P.J.; 2012; Biomass production of hairy roots of Artemisia annuaand Arachis hypogaea in a scaled-up mist bioreactor; Biotechnology and Bioingineering 107 (5); 802-813.

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

236 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u