Биореакторная система с анализом метаболического потока в качестве ядра

1. Принципы и состав проектирования системы

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. Разработка и применение современных онлайн-инструментов

(1)Интернет-датчики биореакторной системы

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) Масс-спектрометр выхлопных газов биореакторная система

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)Анализатор измерений из биореакторная система

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.

Микробиореактор

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.

Микро биореакторные системы Обычно состоят из следующих основных компонентов:

(1) Микрофлюидный чип биореакторная система: Микрофлюидный чип является основным компонентом системы микробиореактора. Он состоит из сети каналов микрометрового уровня и микроклапанов. Регулируя открытие и закрытие микроклапанов, можно контролировать поток и смешивание жидкостей в микроканалах, достигая точного контроля условий реакции. Микрофлюидные чипы обычно изготавливаются из стекла, полимера или материалов на основе кремния.

(2) Микронасос из биореакторная система: Микронасос — это устройство, используемое для перекачивания жидкости. Микронасосы обычно приводятся в действие давлением или электрическими средствами, что позволяет осуществлять точный контроль жидкостей. Он может подавать субстраты, питательные среды, реагенты и т. д. в микрофлюидные чипы для управления скоростью потока и степенью смешивания жидкости внутри реактора.

(3) Система контроля температуры из биореакторная система: Система контроля температуры используется для поддержания постоянной температуры внутри реактора. Точный контроль температуры реактора может быть достигнут с помощью нагревательных элементов и датчиков. Температура имеет решающее значение для роста и метаболизма микроорганизмов, поэтому стабильность систем контроля температуры имеет важное значение для точности экспериментальных результатов.

(4) Система управления из биореакторная система: Система управления обычно состоит из аппаратного и программного обеспечения, используемого для мониторинга и регулирования работы микробиореакторной системы в режиме реального времени. Она может контролировать такие параметры, как температура, скорость потока, давление и т. д., и автоматически регулировать их в соответствии с заданными условиями реакции. Система управления также может регистрировать данные во время экспериментального процесса и выполнять анализ и обработку данных.

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.

Микро биореакторная система имеет следующие преимущества:

(1) Маленький размер: Размеры систем микробиореакторов невелики, обычно от микрометров до миллиметров. По сравнению с традиционными системами биореакторов микрореакторы имеют меньший объем, что экономит лабораторное пространство и позволяет одновременно работать нескольким реакторам в относительно небольших устройствах. Такая конструкция небольшого размера также может сократить количество используемых образцов и реагентов, снижая экспериментальные затраты.

(2) Высокая скорость реакции: Благодаря небольшому объему микрореакторы имеют меньший реакционный объем, что позволяет реагентам быстрее смешиваться и диффундировать в канале, тем самым увеличивая эффективность реакции для ускорения скорости реакции. Таким образом, системы микробиореактора могут сократить время реакции, ускорить экспериментальные процессы и повысить экспериментальную эффективность.

(3) Низкий расход образцов и реагентов: Объем реактора в системе микробиореактора относительно невелик, что приводит к соответствующему сокращению необходимого количества образцов и реагентов. Это не только экономит дорогостоящие образцы и реагенты, но и помогает сохранить дефицитные биологические образцы и ценные реагенты в исследованиях.

(4) Точный контроль параметров: Микрофлюидные чипы играют решающую роль в системах микробиореактора. Благодаря управлению микроканалами и микроклапанами можно добиться точного управления такими параметрами, как поток реагентов, температура, давление и смешивание. Этот точный контроль может сделать экспериментальные результаты более точными и надежными и предоставить больше возможностей для оптимизации условий биологической реакции.

(5) Эксперименты с высокой пропускной способностью: Микробиореакторные системы могут достигать параллельной работы нескольких реакторов, известной как эксперименты с высокой пропускной способностью. На одной и той же экспериментальной платформе можно одновременно тестировать несколько экспериментальных условий, что значительно повышает эффективность работы и экспериментальный результат исследователей. Эксперименты с высокой пропускной способностью имеют важное прикладное значение в скрининге лекарств, анализе экспрессии генов и других исследованиях.

(6) Интеграция и автоматизация: Микробиореакторные системы могут быть интегрированы с другими устройствами и приборами для достижения автоматизированных операций. Подключая и координируя работу с системами контроля температуры, системами обработки жидкостей, приборами обнаружения и т. д., можно достичь полностью автоматизированного управления процессом реакции и обработки данных, что улучшает повторяемость и стабильность экспериментов.

(7) Микро биореакторная система имеет преимущества Небольшой размер, высокая скорость реакции, низкий расход образцов и реагентов, точный контроль параметров, высокопроизводительные эксперименты и автоматизация. Эти преимущества делают его важным инструментом, широко используемым в таких областях, как биотехнология, науки о жизни, исследование и производство лекарственных препаратов.

Микро биореакторные системы имеют широкий спектр применения во многих областях. Вот некоторые важные области применения:

(1) Скрининг и разработка лекарственных препаратов: Микробиореакторные системы широко используются в процессах скрининга и разработки лекарственных препаратов. Культивируя клетки в микрофлюидных чипах, можно оценить токсичность и эффективность лекарственных препаратов. Небольшие размеры и высокая пропускная способность микрореакторов позволяют одновременно тестировать несколько образцов лекарственных препаратов, что значительно ускоряет скорость скрининга лекарственных препаратов. Кроме того, микробиореакторная система может имитировать метаболизм лекарственных препаратов и их действие in vivo, обеспечивая более точную оценку эффективности лекарственных препаратов и оптимизацию дозировки.

(2) Биофармацевтические препараты: Микробиореакторные системы могут играть важную роль в биофармацевтических процессах. Выращивая клеточные фабрики в микрофлюидных чипах, можно добиться эффективного производства и очистки биологических препаратов. Возможности точного контроля температуры и жидкости микрореакторов могут оптимизировать условия биологической реакции, повысить эффективность производства и качество продукции, а также снизить производственные затраты.

(3) Микробные исследования: Микробиореакторные системы широко используются в микробных исследованиях. Физиологические характеристики и метаболические пути микроорганизмов можно моделировать и анализировать на микрофлюидных чипах, выявляя основные биологические процессы микроорганизмов. Исследователи могут изучать механизмы реагирования и адаптации микроорганизмов к различным условиям окружающей среды, точно контролируя воздействие различных факторов, таких как температура, значение pH, концентрация кислорода и т. д. Эти исследования могут помочь углубить наше понимание экологии, метаболических путей и эволюционных механизмов микроорганизмов.

(4) Мониторинг окружающей среды: Микробиореакторные системы могут использоваться для мониторинга окружающей среды и обнаружения загрязняющих веществ. С помощью микрофлюидных чипов можно культивировать определенные штаммы микроорганизмов для обнаружения токсичных веществ, тяжелых металлов и загрязняющих веществ в окружающей среде. Чувствительность и высокая скорость реакции микрореакторов на микробную активность делают их эффективным, точным и работающим в режиме реального времени инструментом мониторинга окружающей среды.

(5) Исследования в области естественных наук: Микробиореакторные системы также широко используются в исследованиях в области естественных наук. Исследователи могут использовать микробиореакторную систему для изучения биологических процессов, таких как клеточная сигнализация, экспрессия генов, синтез белка и метаболические пути. Точно контролируя условия реакции, мы можем лучше понять взаимодействие между биомолекулами, клеточными функциями и механизмами развития заболеваний.

Применение систем микробиореактора охватывает широкий спектр областей, таких как скрининг лекарств, биофармацевтика, микробиологические исследования, мониторинг окружающей среды и исследования в области естественных наук. Высокая пропускная способность, точный контроль и характеристики быстрого реагирования систем биореактора предоставляют исследователям эффективную, надежную и инновационную экспериментальную платформу.