کشت نیمه پیوسته

  • تعریف کشت نیمه پیوسته
  • اصول Fed-Batch Culture
  • فرآیند
  • انواع
  • کاربردها
  • محدودیت ها

تعریف

به عبارت ساده، کشت فید-بچ اصلاحی برای تخمیر بسته است. در کشت نیمه پیوسته تغذیه شده، مواد مغذی به صورت آسپتیک اضافه می شوند. این یک سیستم نیمه باز است و با افزودن سیستماتیک کشت، حجم کشت مایع در بیوراکتور افزایش می‌یابد. کشت نیمه باز مولدتر است، با افزودن متوالی کنترل شده مواد مغذی، عملکرد بهتری دارد، تراکم سلولی بالاتری را ممکن می کند و سنتز محصول را طولانی تر می کند.

مزایای اصلی Fed-batch نسبت به کشت batch عبارتند از:

  1. سنتز طولانی مدت محصولات
  2. با افزایش تعداد سلول ها و در نتیجه افزایش مقدار محصول که متناسب با غلظت زیست توده است، راندمان بیشتری در این فرآیند حاصل می شود.
  3. افزایش عملکرد و بهره وری با افزودن متوالی کنترل شده مواد مغذی،
  4. این اجازه می دهد تا بیوراکتور برای تولید برای دوره های غیر سودآور استفاده شود، زمانی که به طور معمول برای دسته بعدی آماده می شود.
در فرآیند تغذیه نیمه پیوسته، معمولاً نیازی به حذف محیط در کل فرآیند تخمیر نیست، اما مقدار مواد مغذی محدود کننده اضافه شده، سرعت واکنش را تعیین می کند.
کشت نیمه پیوسته

مزایای کشت نیمه پیوسته

  1. سرکوب کاتابولیت و اثرات Crabtree را می توان با محدود کردن غلظت سوبسترا مدیریت کرد.
  2. تراکم سلولی بالای سلول ها را می توان به دست آورد.
  3. افزایش تولید متابولیت های غیر مرتبط با رشد امکان پذیر است.
  4. در صورت لزوم، ویسکوزیته کشت را می توان کاهش داد.
  5. این اجازه می دهد تا از دست دادن آب، با تبخیر جایگزین شود.

اصول fed-batch culture

  • فرآیند اولیه شبیه به کشت بسته است، همه بسترها در ابتدای تخمیر اضافه می شوند.
  • محیط کشت معمولاً فقط در پایان دوره عملیاتی، به طور کامل یا جزئی (بقیه به عنوان تلقیح برای دفعات مکرر بعدی استفاده می شود) برداشت می شود.
  • در محیط کشت نیمه باز، یک سوبسترا به تدریج با پیشرفت تخمیر اضافه می شود.
  • این بسترها در غلظت های کم در مرحله تولید اضافه می شوند.
  • در طول عملیات، یک یا چند جریان خوراک وجود دارد اما پساب وجود ندارد.
  • برای کنترل فرآیند تغذیه، بسیاری از پارامترهای غیرمستقیم که با متابولیسم یک سوبسترا مرتبط هستند اندازه گیری می شوند، زیرا امکان اندازه گیری مستقیم و
  • مداوم غلظت بستر وجود ندارد.
  • بنابراین حجم کشت در طول عملیات تا زمانی که حجم کامل شود افزایش می یابد.

فرآیند کشت Fed-batch

  • این فرآیند با تخمیر بسته آغاز می‌شود و بستر، مواد مغذی و/یا القاکننده‌ها مصرف می‌شود.
  • محیط تازه از طریق انواع جریان های خوراک اضافه خواهد شد.
  • میکروارگانیسم‌ها با استفاده از یک فرآیند بچ برای یک دوره معین تلقیح شده و رشد می‌کنند، سپس مواد مغذی به تدریج در بقیه دوره تخمیر به فرمانتور اضافه می‌شوند.
  • با دستکاری نرخ تغذیه در طول اجرا، کربن، نیتروژن، فسفات ها، مواد مغذی، پیش سازها یا القا کننده ها به طور متناوب یا پیوسته به کشت اضافه می شوند.

استراتژی های رایج تغذیه عبارتند از:

  • تغذیه ناپیوسته، با پالس منظم یا نامنظم سوبستراها و تغذیه مداوم و منظم مواد مغذی طراحی شده بر اساس داده های از پیش محاسبه شده یا بر اساس کنترل بازخورد متغیرهای اندازه گیری آنلاین مرتبط با رشد سلولی و متابولیسم حاصل می شود.
  • در نتیجه افزودن مواد مغذی تازه، تجمع زیست توده گسترده معمولاً در طول رشد تصاعدی رخ می دهد.
  • بنابراین تخمیر نیمه پیوسته برای فرآیندهای زیستی که هدفشان چگالی زیست توده بالا یا عملکرد محصول بالا است، زمانی که محصول مورد نظر با رشد میکروبی همبستگی مثبت دارد، بسیار مفید است.
  • سرعت رشد را می توان با غلظت سوبسترا کنترل کرد تا از سرکوب کاتابولیت جلوگیری شود.
  • محصولات فقط در پایان دوره برداشت می شوند.
  • حجم کشت در طول عملیات تا زمانی که حجم کامل شود افزایش می یابد.
  • پس از آن، یک حالت عملیاتی بچ برای دستیابی به نتایج نهایی استفاده می شود.
Characteristic-plot-for-typical-substrate-limited-fed-batch-fermentation

انواع کشت Fed-batch

کشت Fed-Batch با حجم ثابت

  • این روش شامل تغذیه سوبسترای محدودکننده به راکتور بسیار غلیظ است به طوری که افزایش قابل توجهی در حجم وجود ندارد.
  • برای دستیابی به حجم تقریباً ثابتی از کشت، سوبسترای محدودکننده رشد باید به شکل مایع یا گاز غلیظ، به شکل خالص شده با دیالیز یا از طریق استریلیزاسیون پرتویی تغذیه شود.
  • یک سیستم تغذیه نیمه پیوسته با حجم ثابت برای آرکی باکتری های هایپرترموفیل که در شرایط هوازی کشت می شوند، استفاده شده است.

کشت Fed-Batch با حجم متغییر

  • این نوعی تخمیر نیمه بسته تغذیه‌شده است که شامل افزودن خوراک بسوبسترا است که حجم کار را با زمان تخمیر تغییر می‌دهد.
  • تغییر حجم را می توان تحت تأثیر نیازهای فرآیند، زمان در دسترس بودن و هدف فرآیند تخمیر قرار داد.

در فرآیند کشت نیمه باز با حجم متغیر، استراتژی تغذیه را می توان بر اساس گزینه هایی مانند موارد زیر تصمیم گرفت:

  1. سوبسترای محدودکننده، به شکل غلیظ، می تواند با سرعت آهسته اضافه شود تا از رقیق شدن بیش از حد کشت تخمیر جلوگیری شود.
  2. در صورت نیاز، تنها سوبسترا محدود کننده، در غلظتی مشابه با غلظتی که برای پردازش بچ استفاده می شود، ممکن است بر حسب نیاز و تمایل اضافه شود، در حالی که بقیه اجزای محیط را می توان در ابتدا با همان سرعت کل اضافه کرد.

کشت نیمه پیوسته چرخه ای

  • در طی این فرآیند، زمانی که تخمیر به فاز ثابت می‌رسد و تغییرات قابل توجهی در رشد سلول‌ها ایجاد نمی‌شود (به دلیل تخلیه سوبسترا یا مهار محصول)، مقدار معینی از محیط مصرف‌شده از تخمیر خارج می‌شود و به دنبال آن از محیط غذایی تازه اضافه می‌شود.
  • با این حذف و افزودن، غلظت سوبسترا در تخمیر افزایش می یابد که منجر به افزایش سرعت رشد ویژه می شود.
  • با این حال، با مصرف سوبسترا و به دست آوردن حالت شبه پایدار، نرخ رشد ویژه دوباره کاهش می‌یابد.
  • کشت نیمه پیوسته چرخه ای مکرر برای بهینه سازی شرایط برای بیوسنتز پنی سیلین G با استفاده از استراتژی تغذیه با فسفر مورد استفاده قرار گرفت.

کشت نیمه پیوسته تک (single fed-batch culture)

  • در کشت نیمه پیوسته تک، محلول تغذیه در طول فرآیند تخمیر اضافه می شود، اما محیط مصرف شده حذف نمی شود.
  • در مقابل، عیب اصلی این روش این است که مقدار زیادی از محیط تخمیر تا پایان فرآیند کشت نیمه پیوسته استفاده نمی شود.
  • بنابراین، حجم راکتور می تواند یک عامل محدود کننده جدی برای مدت زمان تخمیر باشد.

کاربرد fed-batch culture

محصولات مختلف تولید شده یا تلاش می شود با تکنیک های فید-بچ تولید شوند.

محصولمثال
آمینواسیدگلوتامیک اسید، لیزین، تیروزین، تریپتوفان، آلانین
آنتی بیوتیکCandidin و candihexin;
سفالوسپورین C، کلروتتراسایکلین، گریزئوفولوین، پنی سیلین، استرپتومایسین، تتراسایکلین، مخمرهای بیکر
آنزیمسلولاز، گالاکتوزیداز، ایزوآمیلاز، پروتئاز، β-آمیلاز، α-آمیلاز، بتا-گالاکتوزیداز، بتا-گلوکاناز، بتا-گلوکوزیداز
حلالاستون، بوتانول، گلیسرول، 1،3-پروپاندیول
ویتامینریبوفلاوین، ویتامین B12
توده سلولی میکروبی
باکتریایی
قارچی		Cellulomonas sp., PseudomonasCandida boidinii, Candida utilis, Pichia farinose, Saccharomyces cerevisiae
کشت سلول حیوانیNon-GS NS0 cell line, Hybridoma
سایراسید استیک، اسید سیتریک، اسید جیبرلیک، لیپیدهای خنثی، پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA)، دی هیدروکسی استون (DHA)، اینترفرون-γ انسانی، اسید کلاوولانیک، پلی-β-هیدروکسی بوتیرات (PHB)

محدودیت کشت نیمه باز

  1. میکروب باید قبل از کشت مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد تا نیازهای آن، فیزیولوژی و بهره وری آن مشخص شود.
  2. برای راه اندازی تخمیر و توسعه فرآیند، مهارت قابل توجه اپراتور مورد نیاز است.
  3. یک کشت نیمه بسته چرخه ای باید با احتیاط طراحی شود تا اطمینان حاصل شود که سموم در سطوح بازدارنده انباشته نمی شوند و اگر چرخه های زیادی اجرا شود، مواد مغذی غیر از آنهایی که در محیط تغذیه گنجانده شده اند محدود نمی شوند.
  4. هزینه های بالاتر در نیروی کار و/ یا کنترل فرآیند پویا برای فرآیند.
  5. مقادیر اجزای مورد کنترل باید بالاتر از حد تشخیص تجهیزات اندازه گیری موجود باشد.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.

مطالب مفید:

کشت بسته کشت پیوسته بیوراکتور طراحی فرمانتور