В клетках кислород выступает в роли конечного акцептора в процессе переноса электронов. В ходе этой реакции кислород соединяется с ионами водорода, образуя воду. При этом выделяется большое количество энергии, которая используется клетками.
Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В результате него образуется аденозинтрифосфат (АТФ), который служит источником энергии для различных клеточных процессов и метаболических реакций.
Также важно отметить, что кислород играет ключевую роль в процессе деления клеток. При оптимальном уровне кислорода клетки активно делятся и размножаются. Однако если кислорода недостаточно, это может замедлить или даже остановить процесс деления клеток. В связи с этим, в экспериментах по культивированию клеток в лабораторных условиях, крайне важно тщательно контролировать уровень кислорода. Это необходимо для создания оптимальных условий, способствующих росту и размножению клеток.
В культурах CHO клеток уровень растворённого кислорода (DO) обычно поддерживается в диапазоне от 10% до 80% насыщения воздуха. Избыток кислорода может привести к образованию активных форм кислорода (АФК), которые нарушают работу митохондриальной дыхательной цепи и внутриклеточный окислительно-восстановительный баланс. В результате этого рост клеток замедляется, а продуктивность снижается. С другой стороны, известно, что недостаток кислорода также способствует накоплению АФК, что связано с пониженным потреблением кислорода и повышенным образованием лактата.
В больших объёмах, например, в 2000 литров, накопление активных форм кислорода приводило к значительному снижению эффективности, в то время как в меньших объёмах, например, в 20 литрах, эта проблема не возникала. Поэтому при масштабировании крайне важно правильно выбирать параметры DO, особенно учитывая влияние гидростатического давления.
При одинаковых уровнях DO, выраженных в процентах от насыщенности воздухом, фактическое содержание кислорода в крупных биореакторах значительно превышает показатели в настольных биореакторах. Хотя поверхностная аэрация уменьшает напряжение сдвига, которое возникает при разрыве пузырьков, её вклад в перенос газа становится несущественным в более крупных масштабах.
Чтобы уменьшить напряжение сдвига, возникающее при разрыве пузырьков на границе раздела газ-жидкость, в питательную среду для культивирования клеток обычно добавляют поверхностно-активные вещества, такие как Pluronic F-68 или Kolliphor P188.
Для защиты от сдвига обычно используется концентрация Pluronic 1 г/л (максимум 5 г/л). Коэффициент переноса кислорода (kLa) используется для оценки способности системы переносить кислород. Для заданной конфигурации биореактора kLa в первую очередь зависит от объёмной мощности (P/V) и поверхностной скорости газа (νs), как показано в следующей формуле:
где K — константа, а показатели степени α и β составляют примерно 0,4 и 0,5 соответственно.
Коэффициент переноса кислорода (kLa) используется для оценки способности системы переносить кислород. Для заданной конфигурации биореактора kLa в первую очередь зависит от объёмной мощности (P/V) и поверхностной скорости газа (νs), как показано в следующей формуле: где K — константа, а показатели степени α и β составляют примерно 0,4 и 0,5 соответственно.
На kLa оказывают воздействие такие характеристики процесса, как размер пузырьков, интенсивность перемешивания, объём и форма биореактора, а также расход газа. Было установлено, что на коэффициент массопереноса влияют различные компоненты среды, включая соли, противопенные эмульсии и поверхностно-активные вещества. В частности, противопенные эмульсии существенно снижают kLa, а Pluronic F-68 также снижает этот показатель, хотя и в меньшей степени. Напротив, добавление солей способствует увеличению коэффициента переноса кислорода.
Ещё одним фактором, который влияет на kLa, является количество лопастей. В средах, которые препятствуют слиянию частиц (например, в большинстве питательных сред), при постоянной объёмной мощности и скорости потока газа использование одной лопасти приводит к более высокому значению kLa по сравнению с конфигурацией с тремя лопастями. Это говорит о том, что концентрация мощности в месте образования пузырьков улучшает общую массопередачу.
Обычно, когда биореакторы с похожей геометрией масштабируются, kLa также увеличивается. Эта тенденция наблюдается как в традиционных биореакторах с перемешиванием, так и в одноразовых биореакторах. Кроме того, увеличение высоты слоя жидкости увеличивает время, которое газ проводит в реакторе, что повышает эффективность переноса газа.
Диффузия газов в одноразовых биореакторах CytoLinX® BR
Структура и конструкция биореактора тесно связаны с его функциональностью. Оптимизированная форма реактора способствует эффективной передаче газа и контролю парциального давления, улучшая регулирование условий культивирования микроорганизмов и клеток. Это, в свою очередь, улучшает контроль процесса и упрощает настройку параметров.
Биореакторы BioLink отличаются прочной конструкцией и широким функционалом. Они доступны в различных объёмах: 10 л, 50 л, 200 л, 500 л, 1000 л и 2000 л, что позволяет масштабировать их в соответствии с задачами. Эти биореакторы подходят для культивирования клеток млекопитающих и насекомых в промышленных масштабах, а также для других задач, требующих низких скоростей сдвига. Усовершенствованные системы контроля pH и DO обеспечивают оптимальный рост клеток, а гибкие услуги по настройке удовлетворяют конкретные требования клиентов, способствуя взаимному успеху.
CytoLinX® BR Биореакторы с одноразовыми мешками
- Благодаря оптимизированной конструкции резервуара и широкому набору функций один блок управления может управлять несколькими биореакторами с помощью системы «подключи и работай», что значительно снижает затраты. Модельный ряд биореакторов различных объёмов позволяет произвести масштабирование процесса в соответствии с эксплуатационными требованиями.
- Система построена на платформе PCS7, совместимой с системой управления ISA 88, что обеспечивает полный контроль над объектом.
- Дизайн программного обеспечения соответствует требованиям 21 CFR, часть 11, и имеет удобный интерфейс.
- Конфигурация отличается высокой гибкостью, позволяя частично настраивать ее в соответствии со спецификациями пользователя.
- Все компоненты оборудования поставляются ведущими мировыми брендами и проходят заводские испытания для обеспечения надёжной работы.
- Для биореакторов с нижним барботированием система поддерживает мешки одноразового использования, в том числе с крупными, средними и микропузырьками
Ссылки：Лукас Лемир, Фуонг Лан Фам, Ив Дюроше и Оливье Анри «Практические рекомендации по масштабированию культур клеток яичников китайского хомячка (CHO)» по эксклюзивной лицензии Springer Nature Switzerland AG 2021 Р. Пёртнер (ред.), Инженерия и технология клеточных культур, Клеточная инженерия 10