Перемешивание не только обеспечивает однородность, но и играет ключевую роль в улучшении массообмена, который необходим для снабжения клеток кислородом и удаления углекислого газа.
Перемешивание клеточных культурах млекопитающих в крупномасштабном производстве обычно осуществляется с помощью осевых крыльчаток, таких как крыльчатки с наклонными лопастями. По сравнению с радиально-осевыми мешалками (например, мешалками Раштона), осевые мешалки требуют более низкой скорости перемешивания для достижения той же эффективности перемешивания, тем самым снижая напряжение сдвига в клетках.
В крупномасштабных биореакторах по кругу сосуда обычно устанавливаются перегородки для создания турбулентности. Без перегородок циркулирующая энергия, создаваемая мешалкой, не может в полной мере способствовать турбулентному движению, необходимому для надлежащего перемешивания. Отсутствие перегородок также может привести к образованию центральной воронки, которая может вызвать неконтролируемый перенос газа между свободным пространством и жидкостью.
Другой способ повысить турбулентность потока — установить рабочий импеллер эксцентрично. Этот метод используется в основном в тех случаях, когда перегородки неудобны, например в биореакторах специального назначения. Однако хорошо известно, что для достижения одинакового количества циклов перемешивания при эксцентричном расположении рабочего колеса требуется примерно в два раза больше энергии, чем при концентрическом расположении
Перемешивание связано с аэрацией через объёмную мощность (P/V), как показано в уравнении (1). Объёмная мощность — важный инженерный параметр, который часто используется в качестве критерия при масштабировании для обеспечения сопоставимой однородности культуры. Объёмную мощность можно измерить или рассчитать по уравнению (2), где Np — безразмерное число мощности, N — скорость перемешивания, Di — диаметр рабочего колеса, а V — объём. В зависимости от типа используемого рабочего колеса для оценки числа мощности перемешиваемого резервуара можно использовать различные соотношения, как правило, в зависимости от условий потока (числа Рейнольдса) и соотношения сторон. При турбулентном потоке мощность не зависит от числа Рейнольдса.
Уравнение 1
Уравнение 2
Для культур клеток CHO в биореакторах скорость перемешивания обычно регулируется таким образом, чтобы обеспечить диапазон P/V от 10 до 80 Вт/м3. Ещё один важный фактор, который необходимо учитывать при настройке условий перемешивания, — это скорость вращения лопастей. Поскольку высокая скорость вращения лопастей (νt) создаёт зоны с высоким напряжением сдвига, желательно минимизировать νt.
При увеличении скорости подачи воздуха или кислорода для поддержания постоянного коэффициента массоотдачи газа (kLa) требуется более низкая скорость перемешивания. Это, в свою очередь, увеличивает время перемешивания и может привести к неоднородности культуральной среды, в том числе к значительным градиентам растворённого кислорода из-за различий в локальных коэффициентах массоотдачи газов. В сосудах большего объёма ситуация может усугубиться из-за значительно большего времени перемешивания.
Например, время перемешивания увеличивается с 10 секунд в настольном биореакторе объёмом 3 л до 120 секунд в биореакторе промышленного масштаба. С увеличением времени перемешивания постепенно возрастают градиенты концентрации pH, растворённого кислорода, углекислого газа и питательных веществ. Эти градиенты могут оказывать существенное влияние, поскольку клетки могут перемещаться через область с неоптимальными условиями (так называемую микросреду), что приводит к снижению общей эффективности культивирования. В частности, было обнаружено, что на характер гликозилирования влияет уровень растворённого кислорода. Неоднородность pH также негативно влияет на плотность жизнеспособных клеток и титр продукта. В биореакторах из-за наличия хорошо перемешанных областей и повышенного гидростатического давления коэффициент массоотдачи газа выше в нижней части, рядом с крыльчаткой. Для улучшения перемешивания обычно рекомендуется минимизировать объём культуры и добавлять основание рядом с крыльчаткой, чтобы уменьшить скачки pH.
Конструкция и форма биореактора тесно связаны с его функциональностью. Продуманная форма и конструкция реактора способствуют эффективной газопередаче, оптимальному перемешиванию и контролю давления во время работы, что позволяет лучше контролировать условия культивирования и проще регулировать параметры процесса за счёт подачи газа в процессах культивирования микроорганизмов/клеток. Компания BioLink производит биореакторы с оптимальной конструкцией и широким набором функций. Биореактор доступен в объёмах 50 л, 200 л, 500 л, 1000 л и 2000 л, что позволяет удовлетворить различные потребности в процессах культивирования в разных масштабах и подходит для промышленного культивирования клеток млекопитающих, насекомых и других клеточных культур, требующих низкого усилия сдвига.
Одноразовые биореакторы BioLink CytoLinX® BR
Особенности:
• Форма и конструкция резервуара продуманы до мелочей и обладают полным набором функций. Один блок управления может контролировать несколько резервуаров с помощью подключаемых модулей, что значительно снижает затраты (в соответствии с технологическими требованиями могут быть предоставлены резервуары разных размеров, что позволяет масштабировать процесс).
• Надежная система PCS 7, соответствующая стандарту ISA 88, подходит для управления всем предприятием.
• Программное обеспечение имеет удобный интерфейс и соответствует требованиям 21 CFR, часть 11.
• Гибкие конфигурации, частично настраиваемые в соответствии с требованиями заказчика.
Ссылки:
Лукас Лемир, Фуонг Лан Фам, Ив Дюроше и Оливье Анри. «Практические рекомендации по масштабированию культур клеток яичников китайского хомячка (CHO)»
В крупномасштабных биореакторах по кругу сосуда обычно устанавливаются перегородки для создания турбулентности. Без перегородок циркулирующая энергия, создаваемая мешалкой, не может в полной мере способствовать турбулентному движению, необходимому для надлежащего перемешивания. Отсутствие перегородок также может привести к образованию центральной воронки, которая может вызвать неконтролируемый перенос газа между свободным пространством и жидкостью.
Другой способ повысить турбулентность потока — установить рабочий импеллер эксцентрично. Этот метод используется в основном в тех случаях, когда перегородки неудобны, например в биореакторах специального назначения. Однако хорошо известно, что для достижения одинакового количества циклов перемешивания при эксцентричном расположении рабочего колеса требуется примерно в два раза больше энергии, чем при концентрическом расположении
Перемешивание связано с аэрацией через объёмную мощность (P/V), как показано в уравнении (1). Объёмная мощность — важный инженерный параметр, который часто используется в качестве критерия при масштабировании для обеспечения сопоставимой однородности культуры. Объёмную мощность можно измерить или рассчитать по уравнению (2), где Np — безразмерное число мощности, N — скорость перемешивания, Di — диаметр рабочего колеса, а V — объём. В зависимости от типа используемого рабочего колеса для оценки числа мощности перемешиваемого резервуара можно использовать различные соотношения, как правило, в зависимости от условий потока (числа Рейнольдса) и соотношения сторон. При турбулентном потоке мощность не зависит от числа Рейнольдса.
Уравнение 1
Уравнение 2
Для культур клеток CHO в биореакторах скорость перемешивания обычно регулируется таким образом, чтобы обеспечить диапазон P/V от 10 до 80 Вт/м3. Ещё один важный фактор, который необходимо учитывать при настройке условий перемешивания, — это скорость вращения лопастей. Поскольку высокая скорость вращения лопастей (νt) создаёт зоны с высоким напряжением сдвига, желательно минимизировать νt.
При увеличении скорости подачи воздуха или кислорода для поддержания постоянного коэффициента массоотдачи газа (kLa) требуется более низкая скорость перемешивания. Это, в свою очередь, увеличивает время перемешивания и может привести к неоднородности культуральной среды, в том числе к значительным градиентам растворённого кислорода из-за различий в локальных коэффициентах массоотдачи газов. В сосудах большего объёма ситуация может усугубиться из-за значительно большего времени перемешивания.
Например, время перемешивания увеличивается с 10 секунд в настольном биореакторе объёмом 3 л до 120 секунд в биореакторе промышленного масштаба. С увеличением времени перемешивания постепенно возрастают градиенты концентрации pH, растворённого кислорода, углекислого газа и питательных веществ. Эти градиенты могут оказывать существенное влияние, поскольку клетки могут перемещаться через область с неоптимальными условиями (так называемую микросреду), что приводит к снижению общей эффективности культивирования. В частности, было обнаружено, что на характер гликозилирования влияет уровень растворённого кислорода. Неоднородность pH также негативно влияет на плотность жизнеспособных клеток и титр продукта. В биореакторах из-за наличия хорошо перемешанных областей и повышенного гидростатического давления коэффициент массоотдачи газа выше в нижней части, рядом с крыльчаткой. Для улучшения перемешивания обычно рекомендуется минимизировать объём культуры и добавлять основание рядом с крыльчаткой, чтобы уменьшить скачки pH.
Конструкция и форма биореактора тесно связаны с его функциональностью. Продуманная форма и конструкция реактора способствуют эффективной газопередаче, оптимальному перемешиванию и контролю давления во время работы, что позволяет лучше контролировать условия культивирования и проще регулировать параметры процесса за счёт подачи газа в процессах культивирования микроорганизмов/клеток. Компания BioLink производит биореакторы с оптимальной конструкцией и широким набором функций. Биореактор доступен в объёмах 50 л, 200 л, 500 л, 1000 л и 2000 л, что позволяет удовлетворить различные потребности в процессах культивирования в разных масштабах и подходит для промышленного культивирования клеток млекопитающих, насекомых и других клеточных культур, требующих низкого усилия сдвига.
Одноразовые биореакторы BioLink CytoLinX® BR
Особенности:
• Форма и конструкция резервуара продуманы до мелочей и обладают полным набором функций. Один блок управления может контролировать несколько резервуаров с помощью подключаемых модулей, что значительно снижает затраты (в соответствии с технологическими требованиями могут быть предоставлены резервуары разных размеров, что позволяет масштабировать процесс).
• Надежная система PCS 7, соответствующая стандарту ISA 88, подходит для управления всем предприятием.
• Программное обеспечение имеет удобный интерфейс и соответствует требованиям 21 CFR, часть 11.
• Гибкие конфигурации, частично настраиваемые в соответствии с требованиями заказчика.
Ссылки:
Лукас Лемир, Фуонг Лан Фам, Ив Дюроше и Оливье Анри. «Практические рекомендации по масштабированию культур клеток яичников китайского хомячка (CHO)»
