Биореактор с суспензионными клеточными культурами: Биореактор с мешалкой

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.

По сравнению с биореакторами с мешалкой, биореакторы с воздушным подъемом 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.

Подводя итог, можно сказать, что биореакторы для выращивания суспензионных клеточных культур занимают важное место в области биоинженерии, а различные типы реакторов отличаются условиями культивирования, методами эксплуатации и конструктивными структурами, каждый из которых имеет свои преимущества. С непрерывным развитием науки и техники продолжают появляться различные новые конструкции реакторов, предоставляя больше возможностей для разработки биореакторов для выращивания суспензионных клеточных культур. Наши исследования и применение биореакторов для выращивания суспензионных клеточных культур будут продолжать углубляться, способствуя дальнейшему развитию биофармацевтики и биопроцессов.

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.

Подача газа также очень важна для роста клеток и синтеза продуктов. Кислород является необходимым субстратом для дыхания и метаболизма клеток, в то время как углекислый газ является одним из продуктов. Поэтому биореакторы с перемешивающим резервуаром обычно оснащены соответствующими системами подачи газа для подачи соответствующего кислорода в культуральную среду и контроля содержания углекислого газа. Контроль скорости подачи газа и расхода очень важен для поддержания газового баланса и массопереноса культуральной среды.

Помимо подачи кислорода и питательных веществ, важными параметрами, которые необходимо контролировать в клеточной культуре, являются значение pH и температура жидкости. Биореакторы с перемешиваемым резервуаром могут быть оснащены соответствующими устройствами контроля pH и температуры для поддержания стабильности культуральной среды. Контроль pH обычно достигается путем добавления кислоты или щелочи, а контроль температуры может быть достигнут путем охлаждения или нагревания.

В суспензионной культуре клеток биореакторы с перемешиваемым резервуаром имеют следующие преимущества и недостатки:

Преимущества биореактора с мешалкой:

1. Равномерное смешивание: Биореактор с мешалкой равномерно перемешивает клетки, культуральную среду и газ в культуральной среде с помощью перемешивающего устройства, благодаря чему клетки могут полностью контактировать с питательными веществами и кислородом в культуральной среде, что способствует росту клеток и выработке метаболитов.
2. Регулируемые условия реакции: регулируя скорость перемешивания, температуру, значение pH и другие параметры, можно контролировать условия реакции в процессе культивирования клеток для удовлетворения потребностей роста и экспрессии различных клеток.
3. Простота эксплуатации и контроля: Биореактор с перемешивающим резервуаром прост по конструкции и прост в эксплуатации. Он может контролировать и регулировать различные параметры питательной среды, такие как температура, значение pH и растворенный кислород, в режиме реального времени, чтобы обеспечить стабильность и управляемость процесса культивирования.
4. Подходит для крупномасштабного производства: Биореактор с мешалкой позволяет осуществлять крупномасштабное суспензионное культивирование клеток, что подходит для промышленного производства и может повысить эффективность производства и производительность.

Недостатки Биореактор с мешалкой:

1. Неравномерный массоперенос газ-жидкость: Перемешивание в биореакторе с мешалкой приведет к возникновению сдвигающего усилия и образованию пузырьков в жидкости, что может привести к неравномерному массопереносу кислорода, что приведет к недостаточному снабжению некоторых клеток кислородом, что повлияет на рост клеток и качество продукции.
2. Сложность обработки высоковязких жидкостей: при работе с высоковязкими культуральными жидкостями биореакторы с мешалкой могут столкнуться с проблемами, связанными с трудным перемешиванием и высоким потреблением энергии.
3. Избегайте разрушения клеток: для некоторых более хрупких клеток сила перемешивания в биореакторе с мешалкой может привести к разрушению или повреждению клеток, тем самым влияя на рост и выход клеток.

Биореакторы с перемешиваемым резервуаром также в основном используются в суспензионной клеточной культуре. Ниже приведены некоторые из основных сценариев применения:

1. Рост клеток: Биореакторы с перемешиваемым резервуаром часто используются на этапе роста клеток в процессе культивирования клеток. Благодаря системе перемешивания и вентиляции клетки могут получать достаточное количество питательных веществ и кислорода, а клетки могут находиться в суспензии для стимулирования роста и размножения клеток.
2. Экспрессия белка: В экспрессии белка биореакторы с перемешивающим баком могут использоваться в процессах культивирования клеток и экспрессии белка. Регулируя такие параметры, как скорость перемешивания, температура и питательные вещества, можно оптимизировать рост клеток и уровни экспрессии белка.
3. Производство вакцин: Биореакторы с перемешиванием широко используются в процессе производства вакцин. Оптимизируя условия перемешивания и культивирования, можно улучшить выход и качество вакцин, а также обеспечить стабильность активных ингредиентов в вакцинах.
4. Производство антибиотиков: В процессе производства антибиотиков биореакторы с перемешивающим устройством используются для выращивания и ферментации микроорганизмов. Перемешивая и контролируя температуру реакции, значение pH и другие условия, можно увеличить скорость роста штаммов микроорганизмов и выход антибиотиков.
5. Производство косметической продукции: Биореакторы с перемешивающим баком используются для этапов смешивания и реакции в производстве косметической продукции. Перемешивая и контролируя условия реакции, можно гарантировать, что сырье полностью смешано, а качество продукта улучшено.

Применение биореакторов с перемешивающим устройством в суспензионной культуре клеток может обеспечить клеткам хорошую среду роста и оптимизированные условия реакции для повышения эффективности производства и качества продукции.