Sistema de biorreactor con análisis de flujo metabólico como núcleo

1、 Principios y composición del diseño del sistema

A biological process is the process in which a biological system undergoes biochemical reactions in a bioreactor. The bioreactor system and its surrounding environment form a relatively closed ecosystem. In this ecosystem, there are interactions between biological systems and environmental factors.

The phenotype of biological systems, especially those dominated by cells, is closely related not only to genotype, but also to the micro or macro environmental conditions in which the cells are located (such as nutrient types, pH, temperature, dissolved oxygen, mixing and transfer characteristics of bioreactors, etc.). In other words, genotype and environment jointly determine the phenotypic characteristics of biological systems. On the other hand, biological processes have highly nonlinear and time-varying characteristics, making it difficult to characterize their complex ontological features using macroscopic dynamics aimed at detecting and controlling environmental operating parameters.

Therefore, it is necessary to systematically analyze the metabolic changes of cells based on the metabolic characteristics related to parameters during the fermentation process, emphasizing that the physiological state of cells is related to parameters and is the result of the transfer, conversion, and balance of materials, energy, or information in bioreactors. Although its micro influencing factors may only occur at a certain scale at the level of genes, enzymes, cells, or reactors, they will ultimately be reflected in macro processes, providing clues for studying data correlation analysis methods at different scales in bioreactors.

An ideal bioreactor system should detect and analyze operating parameters and state parameters at different scales as much as possible, so as to potentially construct an optimized external environment that maximizes the gene expression and metabolic regulation of microorganisms for the biosynthesis of a certain target product and maximizes the accumulation of the target product.

The above indicates the engineering science issues of biological processes, which have evolved from macroscopic dynamics research to multi-scale theoretical methods based on biological process information processing, in order to guide the development of engineering technologies related to biological processes with bioreactor system as the core.

Bailun adopts a metabolic flow multi-scale biological reaction system, which includes various advanced sensors for the detection of cell physiological metabolic characteristics, sensor reactors and control systems for micro metabolic flow analysis of biological processes, computer software packages for the correlation analysis of cell physiological metabolic parameters, and computer Internet systems for data processing and remote analysis of fermentation processes.

This system is consistent with the highest configuration in Europe, reducing the interference of human factors on scientific research, improving data repeatability and accuracy, reducing labor and material costs, without the need for dedicated personnel on duty, and can achieve computer remote control and wireless monitoring.

The can lid automatic opening system, and all parameters can be automatically controlled. Being able to obtain as much biological information as possible at various scales of the biological processing process, and then based on the principle of multi-scale parameter correlation, through real-time data processing of computer software, identifying key parameters for process optimization based on parameter correlation characteristics in massive data, and using them to guide process operations, equipment design, or strain screening and transformation, ultimately achieving process optimization and scaling up.

The system has been successfully applied to optimize the production process of various products, greatly improving the capacity of fermentation units. Its optimized process can generally be directly scaled up from tens of liters of fermentation tanks to industrial production fermentation tanks of hundreds of cubic meters.

2. Desarrollo y aplicación de instrumentos avanzados en línea

(1)Sensores en línea del sistema de biorreactor

The bioreactor system with metabolic flow analysis as its core is equipped with advanced sensing systems. In addition to conventional detection and control parameters such as pH, temperature, stirring speed, dissolved oxygen, and rotor flow meter, a thermal mass flow meter (for precise measurement and control of intake flow rate to ensure it is not affected by intake pressure), a fermentation broth weighing system, exhaust gas oxygen and CO2 measuring instruments (exhaust gas composition analyzer or process exhaust gas mass spectrometer), and a top mounted silicone oil pressure sensor are also configured to accurately measure the oxygen consumption rate (OUR) and CO2 release rate (CER) of biological processes.

Micro metabolic flow analysis sensor reactors and control systems, in situ live cell concentration online measuring instruments, cell morphology online microscopic observation instruments, and other online sensors can also be configured as needed. Based on the direct parameters obtained from the measurement, important physiological and metabolic state parameters such as CER, OUR, and RQ can be calculated using computer software packages for cell physiological and metabolic parameter analysis.

(2)Espectrómetro de masas de gases de escape de sistema de biorreactor

The process exhaust gas mass spectrometer is mainly used for measuring the concentrations of O2, CO2, and N2 in exhaust gas. This mass spectrometer uses an electron bombardment ion source. After online pretreatment, the exhaust gases from different fermentation tanks are continuously input into the ionization chamber through a multi-channel rotary valve to form ions.

Using the motion law of charged particles in the electric field, the quadrupole mass analyzer separates the ions generated by the ion source according to their mass to charge ratio (mass to charge ratio, m/z), measures the distribution of ion mass intensity, and obtains information on compound types and concentrations, accurately reflecting changes in the composition of fermentation exhaust gases.

The measurement results can be input into a specialized software package designed for the fermentation process, enabling correlation analysis with other fermentation parameters. The exhaust gas mass spectrometer can measure volatile gas components with a relative molecular weight of up to 300, so it can also detect small molecule substances such as ethanol and methanol according to fermentation needs.

(3)Analizador de medidas de sistema de biorreactor

Biomass is an important parameter in the fermentation process. At present, it is usually obtained through offline measurements using classic methods such as dry mass and turbidity. The in-situ live cell concentration online analyzer can not only perform real-time online measurement, but also obtain more biologically meaningful live cell concentrations.

This is particularly suitable for fermentation processes that contain insoluble solid substances in the culture medium. The principle of the live cell analyzer is based on 0 In an alternating electric field with a frequency range of 1-10MHz, non-conductive polarization occurs on the cell surface such as the cell membrane in the fermentation broth, making living cells with intact cytoplasmic membranes essentially like capacitors (the non-conductive nature of lipid cytoplasmic membranes generally leads to charge growth), while dead cells, lysed cells, cell fragments, bubbles, and other matrix components are essentially non polarizable.

By applying an alternating electric field within the frequency range using dual electrodes, the measured capacitance between the electrodes depends on the cell type and size, and is proportional to the concentration of viable bacteria within a certain range. The in situ live cell concentration online analyzer is applicable to various animal and plant cells, yeast, bacteria, algae, etc. But it is not suitable for fermentation processes that require acid-base neutralizing agents as the target product, as excessive ion strength in the fermentation broth can interfere with the accurate measurement of capacitance.

Microbiorreactor

The micro bioreactor system is a novel biochemical experimental platform that enables the study and control of biological reactions in small-scale reactors. This system combines the advantages of microfluidic technology, microelectronic devices, and biotechnology to perform the functions of traditional bioreactors at the microscale. Micro bioreactor systems typically consist of microfluidic chips, micro pumps, temperature control, and control systems. Microfluidic chips are core components composed of microchannels and microvalves, used to regulate the flow and mixing of microorganisms and substrates in reactors.

The micro pump is responsible for providing fluid pumping and controlling flow rate, the temperature control system is used to maintain a constant temperature inside the reactor, and the control system is used to monitor and regulate the progress of the reaction in real time. The micro bioreactor system has many advantages. Firstly, due to the small size of the reactor, it can reduce reaction time and substrate consumption, thereby improving reaction efficiency. Secondly, microfluidic chips can achieve precise control of reaction parameters such as temperature, pH value, and substrate concentration, making experimental results more accurate and reliable.

In addition, due to the small size of the reactor, multiple reactors can be run in parallel on the same experimental platform for high-throughput experiments, accelerating the progress of scientific research. Micro bioreactor systems have broad application prospects in fields such as biomedical, biopharmaceutical, environmental protection, and food industry. Through the application of micro bioreactor systems, researchers can delve deeper into the physiological characteristics of microorganisms, accelerate the development of new drugs, improve the efficiency of biological production processes, and develop new treatment methods and environmental monitoring methods.

Micro sistemas de biorreactores Por lo general, constan de los siguientes componentes principales:

(1) Chip microfluídico de sistema de biorreactor: El chip microfluídico es el componente principal del sistema de microbiorreactor. Consta de una red de canales a nivel micrométrico y microválvulas. Al ajustar la apertura y el cierre de las microválvulas, se puede controlar el flujo y la mezcla de fluidos en los microcanales, logrando un control preciso de las condiciones de reacción. Los chips microfluídicos suelen estar hechos de vidrio, polímero o materiales a base de silicio.

(2) Microbomba de sistema de biorreactor: Una microbomba es un dispositivo que se utiliza para bombear fluidos. Las microbombas suelen accionarse por presión o por medios eléctricos, lo que permite controlar con precisión los fluidos. Puede introducir sustratos, medios de cultivo, reactivos, etc. en chips microfluídicos para controlar el caudal y el grado de mezcla de fluidos dentro del reactor.

(3) Sistema de control de temperatura de sistema de biorreactor: El sistema de control de temperatura se utiliza para mantener una temperatura constante dentro del reactor. El control preciso de la temperatura del reactor se puede lograr mediante elementos de calentamiento y sensores. La temperatura es crucial para el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos, por lo tanto, la estabilidad de los sistemas de control de temperatura es esencial para la precisión de los resultados experimentales.

(4) Sistema de control de sistema de biorreactor: Un sistema de control generalmente consta de hardware y software, que se utilizan para el monitoreo y la regulación en tiempo real del funcionamiento de un sistema de microbiorreactor. Puede monitorear parámetros como la temperatura, el caudal, la presión, etc., y ajustarlos automáticamente según las condiciones de reacción preestablecidas. El sistema de control también puede registrar datos durante el proceso experimental y realizar análisis y procesamiento de datos.

In addition to the main components mentioned above, the micro bioreactor system may also include additional components such as sensors, detection instruments, and data storage devices. Sensors can monitor indicators such as biological activity, substrate concentration, and product generation in the reactor. Detection instruments are used to analyze and measure the quality and quality of the reaction process, while data storage devices are used to store experimental data and results.

The micro bioreactor system achieves precise control and efficient experimentation of microbial reaction processes through the combination of microfluidic chips and related equipment. This system has broad application potential in fields such as life sciences, drug development, and industrial production.

El micro sistema de biorreactor Tiene las siguientes ventajas:

(1) Tamaño pequeño: El tamaño de los sistemas de microbiorreactores es pequeño, y suele oscilar entre micrómetros y milímetros. En comparación con los sistemas de biorreactores tradicionales, los microrreactores tienen un volumen menor, lo que permite ahorrar espacio en el laboratorio y el funcionamiento simultáneo de varios reactores en dispositivos relativamente pequeños. Este diseño de tamaño reducido también puede reducir la cantidad de muestras y reactivos utilizados, lo que reduce los costos experimentales.

(2) Velocidad de reacción rápida: Debido a su pequeño volumen, los microrreactores tienen un volumen de reacción menor, lo que permite que los reactivos se mezclen y difundan más rápidamente en el canal, lo que aumenta la eficiencia de la reacción para acelerar la velocidad de reacción. Por lo tanto, los sistemas de microbiorreactores pueden acortar el tiempo de reacción, acelerar los procesos experimentales y mejorar la eficiencia experimental.

(3) Bajo consumo de muestra y reactivo: El volumen del reactor en el sistema de microbiorreactor es relativamente pequeño, lo que da como resultado una reducción correspondiente en la cantidad requerida de muestras y reactivos. Esto no solo ahorra costos de muestras y reactivos costosos, sino que también ayuda a conservar muestras biológicas escasas y reactivos valiosos en la investigación.

(4) Control preciso de parámetros: Los chips microfluídicos desempeñan un papel crucial en los sistemas de microbiorreactores. Mediante el control de microcanales y microválvulas, se puede lograr un control preciso de parámetros como el flujo de reactivos, la temperatura, la presión y la mezcla. Este control preciso puede hacer que los resultados experimentales sean más precisos y confiables, y brindar más posibilidades para optimizar las condiciones de reacción biológica.

(5) Experimentos de alto rendimiento: Los sistemas de microbiorreactores pueden lograr el funcionamiento en paralelo de múltiples reactores, conocidos como experimentos de alto rendimiento. En la misma plataforma experimental, se pueden probar múltiples condiciones experimentales simultáneamente, lo que mejora enormemente la eficiencia del trabajo y el rendimiento experimental de los investigadores. Los experimentos de alto rendimiento tienen un valor de aplicación importante en la detección de fármacos, el análisis de la expresión genética y otras investigaciones.

(6) Integración y automatización: Los sistemas de microbiorreactores se pueden integrar con otros dispositivos e instrumentos para lograr operaciones automatizadas. Al conectarlos y coordinarlos con sistemas de control de temperatura, sistemas de procesamiento de líquidos, instrumentos de detección, etc., se puede lograr un control del proceso de reacción y un procesamiento de datos totalmente automatizados, mejorando la repetibilidad y la estabilidad de los experimentos.

(7) El micro sistema de biorreactor tiene las ventajas de Su pequeño tamaño, su rápida velocidad de reacción, su bajo consumo de muestras y reactivos, su control preciso de parámetros, sus experimentos de alto rendimiento y su automatización lo convierten en una herramienta importante y ampliamente utilizada en campos como la biotecnología, las ciencias biológicas y la investigación y producción de fármacos.

Micro sistemas de biorreactores Tienen una amplia gama de aplicaciones en muchos campos. A continuación se indican algunas áreas de aplicación importantes:

(1) Detección y desarrollo de fármacos: Los sistemas de microbiorreactores se utilizan ampliamente en los procesos de detección y desarrollo de fármacos. Al cultivar células en chips microfluídicos, se puede evaluar la toxicidad y la eficacia de los fármacos. El pequeño tamaño y las características de alto rendimiento de los microrreactores permiten analizar varias muestras de fármacos simultáneamente, lo que acelera enormemente la velocidad de detección de fármacos. Además, el sistema de microbiorreactores puede simular el metabolismo y la acción de los fármacos in vivo, lo que proporciona una evaluación más precisa de la eficacia de los fármacos y una optimización de la dosis.

(2) Biofarmacéuticos: Los sistemas de microbiorreactores pueden desempeñar un papel importante en los procesos biofarmacéuticos. Al cultivar fábricas de células en chips microfluídicos, se puede lograr una producción y purificación eficientes de medicamentos biológicos. Las capacidades precisas de control de temperatura y fluidos de los microrreactores pueden optimizar las condiciones de reacción biológica, mejorar la eficiencia de la producción y la calidad de los resultados, y reducir los costos de producción.

(3) Investigación microbiana: Los sistemas de microbiorreactores se utilizan ampliamente en la investigación microbiana. Las características fisiológicas y las vías metabólicas de los microorganismos se pueden simular y analizar en chips microfluídicos, revelando los procesos biológicos básicos de los microorganismos. Los investigadores pueden estudiar los mecanismos de respuesta y adaptación de los microorganismos a diferentes condiciones ambientales controlando con precisión los efectos de diferentes factores como la temperatura, el valor del pH, la concentración de oxígeno, etc. Estos estudios pueden ayudar a profundizar nuestra comprensión de la ecología, las vías metabólicas y los mecanismos evolutivos de los microorganismos.

(4) Monitoreo ambiental: Los sistemas de microbiorreactores se pueden utilizar para la monitorización ambiental y la detección de contaminantes. A través de chips microfluídicos, se pueden cultivar cepas microbianas específicas para detectar sustancias tóxicas, metales pesados y contaminantes en el medio ambiente. La sensibilidad y la rápida velocidad de reacción de los microrreactores a la actividad microbiana los convierten en una herramienta de monitorización ambiental eficiente, precisa y en tiempo real.

(5) Investigación en ciencias de la vida: Los sistemas de microbiorreactores también se han utilizado ampliamente en la investigación de las ciencias biológicas. Los investigadores pueden utilizar sistemas de microbiorreactores para estudiar procesos biológicos como la señalización celular, la expresión genética, la síntesis de proteínas y las vías metabólicas. Al controlar con precisión las condiciones de reacción, podemos comprender mejor las interacciones entre biomoléculas, funciones celulares y mecanismos de desarrollo de enfermedades.

La aplicación de los sistemas de microbiorreactores abarca una amplia gama de campos, como la detección de fármacos, los productos biofarmacéuticos, la investigación microbiológica, el control medioambiental y la investigación en ciencias de la vida. Las características de alto rendimiento, control preciso y respuesta rápida de los sistemas de biorreactores proporcionan a los investigadores una plataforma experimental eficiente, fiable e innovadora.