Biorreactor de cultivo celular suspendido: Biorreactor de tanque agitado

The stirred tank bioreactor is one of the most common suspended cell culture bioreactors. It keeps the cells in the culture in a suspended state by mechanical stirring and provides sufficient oxygen and nutrients for cell growth.

The structure of the stirred tank bioreactor is relatively simple and easy to operate and maintain. However, the shear force and bubble impact caused by stirring on the cells may have an adverse effect on cell growth and product yield. Therefore, the stirring speed and gas intake need to be controlled in the stirred tank bioreactor to balance the mixing of the culture and the gas-liquid mass transfer process.

En comparación con los biorreactores de tanque agitado, Biorreactores de transporte aéreo have better performance in the gas-liquid mass transfer process. Airlift bioreactors achieve gas-liquid mass transfer through the rising movement of bubbles, and the contact area between bubbles and liquid phase is greatly increased.

In addition, the liquid flow generated by the rising movement of gas in the airlift bioreactor also helps to mix the suspended cells and reduce the differences in the local liquid environment. Therefore, the airlift bioreactor can provide better oxygen and nutrient supply while reducing the shear force on the suspended cells. However, the structure of the airlift bioreactor is relatively complex, and the operation and maintenance are difficult, requiring special gas devices and control systems.

In recent years, the application of single use bioreactors has gradually increased, becoming an emerging suspended cell culture bioreactor. Due to its relatively simple structure and operation, single use bioreactors reduce the workload of reactor cleaning and disinfection, can reduce the risk of cross infection, and save production costs.

Single use bioreactors also have good scalability and are convenient for mass production. However, single use bioreactors may have some problems in gas-liquid mass transfer and control, such as uneven supply of oxygen and nutrients, and difficulty in adjusting pH and temperature. Therefore, when using single use bioreactors, improvements and optimizations need to be made according to specific circumstances.

In order to better meet the needs of suspended cell culture bioreactors, researchers have continuously explored and developed various new reactor designs in practice. For example, flexible wall suspended cell culture bioreactors can provide better isolation of liquid environment and shear force on cells by changing the wall material and structure of the culture chamber.

The membrane suspended cell culture bioreactor separates the liquid phase and gas phase through the support of the membrane, reducing the impact and shear force of bubbles on cells. These new reactor designs provide new ideas and directions for the development of suspended cell culture bioreactors.

En resumen, los biorreactores de cultivo celular suspendido ocupan una posición importante en el campo de la bioingeniería, y los distintos tipos de reactores difieren en las condiciones de cultivo, los métodos de operación y las estructuras de diseño, cada uno con sus propias ventajas. Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, siguen surgiendo diversos diseños de reactores nuevos, lo que ofrece más posibilidades para el desarrollo de biorreactores de cultivo celular suspendido. Nuestra investigación y aplicación de biorreactores de cultivo celular suspendido seguirán profundizándose, lo que ayudará al desarrollo futuro de productos biofarmacéuticos y bioprocesos.

The stirred tank bioreactor is a common suspended cell culture bioreactor, which is widely used in biopharmaceuticals, biofuels and other bioprocesses. It keeps the cells in the culture in a suspended state by mechanical stirring and provides sufficient oxygen and nutrients for cell growth. The basic structure of the stirred tank bioreactor includes a tank body, a stirring device, an air inlet device, a liquid level control device, a temperature control device, etc.

The tank body of the stirred tank bioreactor is usually made of stainless steel, which has high corrosion resistance and chemical stability. The stirring device of the stirred tank bioreactor is generally composed of a motor and a stirring paddle, and the intensity and speed of stirring can be controlled by adjusting the speed.

The air inlet device of the stirred tank bioreactor is used to inject gas, usually air or pure oxygen, into the culture medium to provide oxygen for cell growth. The liquid level control device of the stirred tank bioreactor is used to monitor and control the liquid level of the culture medium to maintain the appropriate volume and mixing degree of the culture medium. The temperature control device of the stirred tank bioreactor is used to maintain the temperature of the culture medium within an appropriate range.

In a stirred tank bioreactor, the suspension state of cells is usually achieved by the turbulent flow generated by the stirring device. The shape and stirring speed of the stirring device have an important influence on the suspension of cells and the mixing effect of the liquid. Generally speaking, in the process of suspended cell culture, a moderate stirring intensity is required to maintain the suspension state of cells, but too high a stirring speed may cause excessive shear force on the cells, which will have an adverse effect on the integrity and biological activity of the cells.

Therefore, when using a stirred tank bioreactor, it is necessary to determine the appropriate stirring speed according to the specific cell type and culture conditions.

El suministro de gas también es muy importante para el crecimiento celular y la síntesis de productos. El oxígeno es un sustrato necesario para la respiración y el metabolismo celular, mientras que el dióxido de carbono es uno de los productos. Por lo tanto, los biorreactores de tanque agitado suelen estar equipados con sistemas de suministro de gas adecuados para suministrar el oxígeno adecuado al medio de cultivo y controlar el contenido de dióxido de carbono. El control de la tasa de suministro de gas y la velocidad de flujo es muy importante para mantener el equilibrio de gas y la transferencia de masa del medio de cultivo.

Además del suministro de oxígeno y nutrientes, el valor de pH y la temperatura del líquido también son parámetros importantes que deben controlarse en el cultivo celular. Los biorreactores de tanque agitado pueden estar equipados con dispositivos de control de pH y temperatura adecuados para mantener la estabilidad del medio de cultivo. El control del pH se logra generalmente agregando ácido o álcali, y el control de la temperatura se puede lograr mediante enfriamiento o calentamiento.

En el cultivo de células en suspensión, los biorreactores de tanque agitado tienen las siguientes ventajas y desventajas:

Ventajas del biorreactor de tanque agitado:

1. Mezcla uniforme: el biorreactor de tanque agitado mezcla las células, el medio de cultivo y el gas en el medio de cultivo de manera uniforme a través del dispositivo de agitación, de modo que las células puedan entrar en contacto completo con los nutrientes y el oxígeno en el medio de cultivo, promover el crecimiento celular y la producción de metabolitos.
2. Condiciones de reacción ajustables: Al ajustar la velocidad de agitación, la temperatura, el valor del pH y otros parámetros, se pueden controlar las condiciones de reacción en el proceso de cultivo celular para satisfacer los requisitos de crecimiento y expresión de diferentes células.
3. Fácil de operar y controlar: El biorreactor de tanque agitado tiene un diseño simple y es fácil de operar. Puede monitorear y ajustar varios parámetros del medio de cultivo, como la temperatura, el valor de pH y el oxígeno disuelto, en tiempo real para garantizar la estabilidad y la capacidad de control del proceso de cultivo.
4. Adecuado para producción a gran escala: el biorreactor de tanque agitado puede realizar cultivos de células en suspensión a gran escala, lo que es adecuado para la producción industrial y puede mejorar la eficiencia y el rendimiento de la producción.

Desventajas del biorreactor de tanque agitado:

1. Transferencia desigual de masa gas-líquido: la agitación en el biorreactor de tanque agitado provocará una fuerza de corte y la generación de burbujas en el líquido, lo que puede provocar una transferencia desigual de masa de oxígeno, lo que da como resultado un suministro insuficiente de oxígeno a algunas células, lo que afecta el crecimiento celular y la calidad del producto.
2. Dificultad en el manejo de líquidos de alta viscosidad: Para fluidos de cultivo de alta viscosidad, los biorreactores de tanque agitado pueden encontrar problemas de agitación difícil y alto consumo de energía.
3. Evite la rotura de células: para algunas células más frágiles, la fuerza de agitación en el biorreactor de tanque agitado puede provocar la rotura o daño de las células, lo que afecta el crecimiento y el rendimiento celular.

Los biorreactores de tanque agitado también se utilizan principalmente en cultivos de células en suspensión. A continuación, se indican algunos de los principales escenarios de aplicación:

1. Crecimiento celular: Los biorreactores de tanque agitado se utilizan a menudo en la etapa de crecimiento celular del proceso de cultivo celular. A través del sistema de agitación y ventilación, se pueden proporcionar suficientes nutrientes y oxígeno a las células, y las células se pueden mantener en suspensión para promover el crecimiento y la reproducción celular.
2. Expresión de proteínas: En la expresión de proteínas, los biorreactores de tanque agitado se pueden utilizar en cultivos celulares y procesos de expresión de proteínas. Al regular parámetros como la velocidad de agitación, la temperatura y los nutrientes, se pueden optimizar el crecimiento celular y los niveles de expresión de proteínas.
3. Producción de vacunas: Los biorreactores de tanque agitado se utilizan ampliamente en el proceso de producción de vacunas. Al optimizar las condiciones de agitación y cultivo, se puede mejorar el rendimiento y la calidad de las vacunas y se puede garantizar la estabilidad de los ingredientes activos en las vacunas.
4. Producción de antibióticos: En el proceso de producción de antibióticos, se utilizan biorreactores de tanque agitado para el cultivo y la fermentación de microorganismos. Al agitar y controlar la temperatura de reacción, el valor de pH y otras condiciones, se puede aumentar la tasa de crecimiento de las cepas microbianas y el rendimiento de los antibióticos.
5. Producción de productos cosméticos: Los biorreactores de tanque agitado se utilizan para los pasos de mezcla y reacción en la producción de productos cosméticos. Al agitar y controlar las condiciones de reacción, es posible garantizar que las materias primas se mezclen por completo y se mejore la calidad del producto.

La aplicación de biorreactores de tanque agitado en cultivos de células en suspensión puede proporcionar a las células un buen entorno de crecimiento y condiciones de reacción optimizadas para mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto.