Описание
Основное
BPM-60 (контроль биопроцесса) – это неинвазивный (бесконтактный) онлайн мониторинг растворённого кислорода и уровня рН в колбах Эрленмейера.
Непрерывная регистрация данных, количество растворённого кислорода и рН
С помощью BPM -60 можно легко измерить количество растворённого кислорода и уровень рН в режиме онлайн. Система позволяет регистрировать один или оба параметра в одной и той же колбе. Значение рН и растворённого кислорода можно контролировать одновременно в восьми различных колбах.
Непрерывная регистрация данных, по сравнению со стандартными измерениям при отборе проб происходит автоматически и последовательно. Полученные данные могут быть проанализированы, с целью выявления проблем, связанных с недостатком кислорода или ингибированием, что помогает оптимизировать процесс культивирования в колбах.
Более того, BPM-60 позволит вам производить воспроизводимые инокуляты для последующего использования в биореакторах/ферментёрах, что является особенно важным для фармацевтических производств (см. РАТ-инициатива FDA).
Питание не от батареи
Встроенный разъём на передней части качающейся платформы упрощает передачу данных, а провода благодаря этому находится вне зоны риска повреждения. При использовании данной технологии аккумулятор не требуется.
Программное обеспечение ISIS для регистрации данных
С программным обеспечением ISIS Kuhner вы сможете записывать данные с датчиков. Помимо регистрации растворённого кислорода и рН возможно записать и другие параметры шейкер-инкубатора, такие как скорость вращения или концентрацию СО2. Так же для каждого шейкера сохраняются отчёты по всем параметрам.
Технические характеристики
Система BPM-60
| Порты | один порт для оптоволокна (сбоку) два порта CAN-BUS (вверху) |
| Размеры | высота: 156 мм диаметр: 84 мм диаметр основания (с разъемом для подключения): 108 мм |
| Держатель | совмещенный с оптическим датчиком |
| Оптический датчик | одноканальный: O2, или двухканальный: O2 и pH |
| Объем колб | 250, 500, 1000, 2000 мл |
| Разъем для подключения | 1: 24V DC + 2: 24V DC - 3: CAN-H 4: CAN-L 5: CAN-GND |
Программное обеспечение ISIS для мониторинга, калибровки и контроля
| Мониторинг | 8 доп. параметров процесса (8xO2 или 4xO2 и pH) |
| Калибровка | Предварительно откалиброванные колбы с интегрированным датчиком |
| Повторная калибровка | Калибровка по одной точке возможна |
| Совместимость | 98/NT/2000/XP/Vista |
| GMP | Соответствие 21 CFR часть 11 |
Колба с датчиками
| Растворенный кислород | pH | |
| Диапазон измерения | 0 - 100 % кислород | 5.5 - 8.5 pH |
| Время отклика | 30 сек | 30 сек |
| Разрешение | 0.01 % O2 при 0.21 % O2 0.1 % O2 при 20.9 % O2 |
0.01 pH при pH=7 |
| Точность | 0.05 % O2 при 0.2 % O2 0.4% O2 при 20.9% O2 |
0.05 pHпри pH=7 при калибровке по одной точке 0.10 pHпри pH=7 с повторной калибровкой |
| Дрейф | < 0.015% O2 в день (интервал дискретизации 1 мин) | < 0.005% pHperday (интервал дискретизации 1 мин) |
| Температурный диапазон | 5 - 50°C | 5 - 50°C |
| Совместимость | Водные растворы, этанол, метанол (10% v/v), pH2-10 | Водные растворы, этанол, метанол (10% v/v), pH2-10 |
| Кросс-чувствительность | Обычно нет кросс-чувствительности в культуральной среде. | Снижается к ионной силе, высокие концентрации небольших флуоресцентных молекул в видимойй части спектра могут оказывать влияние. |
| Стабильность при хранении | 18 месяцев при хранении датчиков в темном месте | 18 месяцев при хранении датчиков в темном месте |
| Калибровка | Колба поставляется с предварительно откалиброванным датчиком, калибровка по одной точке возможна при начале эксперимента, когда кислородные условия среды определены. | Колба поставляется с предварительно откалиброванным датчиком, калибровка по одной точке возможна при начале эксперимента, когда pH условия среды определены. |
| Стерилизация | Колба с датчиком поставляется гамма-облученной | Колба с датчиком поставляется гамма-облученной |
| Повторная стерилизация | Стерилизация паром, оксидом этилена, гамма-облучением |
Не рекомендуется |
Применение
- Saccharomyces cerevisiae:эффект Крэбтри и потребление этанола
Из-за своего избыточного метаболизма (эффект Крэбтри), пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae могут производить спирт из глюкозы даже в присутствие кислорода. После полного потребления сахара, накопившийся этанол может быть использован в качестве источника энергии путем окисления пекарскими дрожжами в аэробных условиях.
Благодаря системе BPM-60, было изучено влияние присутствия отбойников в колбе на потребление кислорода дрожжами. Отмеченный выше диауксический рост S. cerevisiae в присутствие глюкозы и этанола проиллюстрирован при помощи данных полученных от BPM.
Рис.1: Концентрация растворенного кислорода DO [%] и значение pH во время культивирования Saccharomyces cerevisiae в колбах (Corning, 250мл) с отбойниками и без отбойников; среда YEP с 20г/л глюкозы, скоростью шейкера 200 об/мин, диаметр орбиты вращения 50 мм, объем заполнения 25мл, температура 37°C
После первоначального снижения, концентрации растворенного кислорода в среде повышается после 7 часов культивирования, указывая, что глюкоза полностью исчерпана. Во время этой начальной фазы роста, уровень биомассы и CO2 растет, а также накапливается этанол в качестве дополнительного побочного продукта аэробной ферментации.
Также можно наблюдать, что в скором времени после того как дрожжи адаптировали свой метаболизм на потребление этанола, концентрация растворенного кислорода падает, до тех пор пока спирт полностью не окислится. В колбах с отбойниками эта точка достигается через 23 часа после начала культивирования и заметна на Рис.1 как увеличение концентрации DO. Растворенный кислород не падает ниже 50% насыщения во время всего культивирования, указывая на достаточный уровень подачи кислорода клеткам.
На потребление этанола при использовании обычной колбы уходит больше времени и уровень кислорода падает ниже 10% насыщения через 16 часов, приводя к лимитации по кислороду у дрожжей. Оба источника углерода были израсходованы через 27 часов и способность к дыханию у клеток значительно снизилась.
В обоих типах колб увеличение pH можно наблюдать после полного потребления субстратов (через 23 и черех 27 часов соответственно), возможно вызванного автолизом клеток.
Этот эксперимент демонстрирует, что система BPM-60 способна детектировать онлайн различные стадии ферментации в колбах для культивирования без трудоемкого пробоотбора и анализа офлайн.
- Escherichia coli:избыточный метаболизм и потребление ацетата
Из-за дисбаланса в потреблении глюкозы и мощности центрального метаболизма, бактерия Escherichia coli в присутствие высоких концентраций глюкозы образует продукт брожения – ацетат, даже в аэробных условиях (избыточный метаболизм). После полного потребления сахара E. coli может утилизировать ацетат, как источник углерода и энергии, проявляя свое диауксическое поведение.
При культивировании E.coli в колбе это явление можно наблюдать онлайн, используя данные полученные при помощи системы BPM (Рис.2).
Рис.2: Концентрация растворенного кислорода DO [%] и значение pH во время культивирования Escherichia coli в колбах (Corning, 250мл); минеральная среда с 20г/л глюкозы, скоростью шейкера 250 об/мин, диаметр орбиты вращения 50 мм, объем заполнения 10мл, температура 37°C
В начале глюкоза окисляется и бактерия потребляет кислород, а ацетат образуется как побочный продукт. На рисунке это видно как понижение pH. Через 9 часов после начала культивирования насыщение кислородом падает ниже 10%, указывая на лимитацию по кислороду для клеток.
Глюкоза полностью расходуется через 11 часов. После этого концентрация кислорода в питательной среде возрастает до тех пор, пока клетки не переключают свой метаболизм на потребление ацетата.
В пределах 15 часов культивирования деградация образовавшегося ацетата начинается раньше и pH начинает расти. Все источники углерода и энергии расходуются за 25 часов. Вслед за этим пособность к дыханию у клеток падает, пока DO накапливается.
При помощи системы BPM граница истощения глюкозы или прекращение клеточного дыхания была показана онлайн и без какого-либо вмешательства в процесс.
- Культура клеток CHO: различие между колбами с отбойниками и стандартными колбами при культивировании
Система BPM использовалась, чтобы определить влияние отбойников в колбе на культивирование млекопитающих клеток CHO.
Рис. 3: Концентрация растворенного кислорода DO [%]во время культивирования культуры клеток CHO в колбах (Corning, 250мл) с отбойниками и без отбойников; среда Pro-CHO, скорость шейкера 170 об/мин, диаметр орбиты вращения 50 мм, объем заполнения 100мл, температура 37°C, инкубация в 5% атмосфере CO2; информация предоставлена ExcellGene SA (Лозанна, Швейцария).
В колбе с отбойниками, концентрация растворенного кислорода остается выше 90% насыщения в течение всего культивирования. В обычной колбы, DO падает ниже 80% после 3 дней, но позже снова возрастает. Как и ожидалось, подача кислорода к клеткам лучше в колбе с отбойниками, но в обоих типах колб, культуры удовлетворительно приспосабливаются без лимита по кислороду.
Более того, отбойники оказывают дополнительный механический стресс для клеток и могут приводить к пенообразованию (Рис. 4). Влияние отбойников на рост и жизнеспособность клеток CHO было изучено с системой BPM.
Рис. 4: CHO-клктки в колбе (Corning, 250 мл), справа с отбойниками, слева без
Рис. 5: Выживаемость [%] и клеточная плотность [клеток/мл] культуры клеток CHO в колбах (Corning, 250мл) с отбойниками и без отбойников; среда Pro-CHO, скорость шейкера 170 об/мин, диаметр орбиты вращения 50 мм, объем заполнения 100мл, температура 37°C, инкубация в 5% атмосфере CO2; информация предоставлена ExcellGene SA (Лозанна, Швейцария).
Противоположно от ожидаемых результатов, эта клеточная линии СНО не показала существенных различий между колбами с отбойниками и без отбойников ни в показателях жизнеспособности клеток, ни в показателях поведения роста.
Несмотря на низкую активность дыхания клеток млекопитающих, система BPM может отслеживать ход культивирования также последовательно, как данные полученные офлайн.
