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動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應(yīng)器

動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)能否大規(guī)模工業(yè)化、商業(yè)化，關(guān)鍵在于能否設(shè)計出合適的生物反應(yīng)器（bioreactor）。由于動物細(xì)胞與微生物細(xì)胞有很大差異，傳統(tǒng)的微生物反應(yīng)器顯然不適用于動物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)。首先必須滿足在低剪切力及良好的混合狀態(tài)下，能夠提供充足的氧以供細(xì)胞生長及細(xì)胞進行產(chǎn)物的合成。
一、生物反應(yīng)器分類
目前，動物細(xì)胞培養(yǎng)用生物反應(yīng)器主要包括：轉(zhuǎn)瓶培養(yǎng)器、塑料袋增殖器、填充床反應(yīng)器、多層板反應(yīng)器、螺旋膜反應(yīng)器、管式螺旋反應(yīng)器、陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、中空纖維及其它膜式反應(yīng)器、攪拌反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器等。
按其培養(yǎng)細(xì)胞的方式不同，這些反應(yīng)可分為以下三類：
1.懸浮培養(yǎng)用反應(yīng)器：如攪拌反應(yīng)器、中空纖維反應(yīng)器、陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器；
2.貼壁培養(yǎng)用反應(yīng)器：如攪拌反應(yīng)器（微載體培養(yǎng)）、玻璃珠床反應(yīng)器、中空纖維反應(yīng)器、陶質(zhì)矩形通道蜂窩狀反應(yīng)器；
3.包埋培養(yǎng)用反應(yīng)器：如流化床反應(yīng)器、固化床反應(yīng)器。
二、攪拌罐生長反應(yīng)器 這是羅經(jīng)典、最早被采用的一種生物反應(yīng)器。此類反應(yīng)器與傳統(tǒng)的微生物生物反應(yīng)器類似，針對動物細(xì)胞培養(yǎng)的特點，采用了不同的攪拌器及通氣方式。通過攪拌器的作用使細(xì)胞和養(yǎng)分在培養(yǎng)液中均勻分布，使養(yǎng)分充分被細(xì)胞利用，并增大氣液接觸面，有利于氧的傳遞。現(xiàn)已開發(fā)的有：籠式通氣攪拌器、雙層籠式通氣攪拌器、槳式攪拌器、海般式攪拌器等。
三、氣升式生物反應(yīng)器
1979年首次應(yīng)用氣升式生物反應(yīng)器成功的進行了動物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)。氣升式生物反應(yīng)器的優(yōu)點：
●罐內(nèi)液體流動溫和均勻，產(chǎn)生剪切力小，對細(xì)胞損傷較�。�
●可直接噴射空氣供氧，因而氧傳遞率gao；
●液體循環(huán)量大，細(xì)胞和養(yǎng)分都能均勻分布于培養(yǎng)液中；
●結(jié)構(gòu)簡單，利于密封并降低了造價。
常用的氣升式反應(yīng)器有三種：內(nèi)循環(huán)式氣升式、外循環(huán)式氣升式、內(nèi)外循環(huán)式氣升式生物反應(yīng)器。 
四、鼓泡式生物反應(yīng)器
與氣升式反應(yīng)器相類似，是利用氣體鼓泡來進行供氧及混合，其設(shè)計原理與氣升式生物反應(yīng)器也相同。
五、中空纖維生物反應(yīng)器 用途較廣，既可用于懸浮細(xì)胞的培養(yǎng)，又可用于貼壁細(xì)胞的培養(yǎng)。 
其原理是：模擬細(xì)胞在體內(nèi)生長的三維狀態(tài)，利用反應(yīng)器內(nèi)數(shù)千根中空纖維的縱向布置，提供細(xì)胞近似生理條件的體外生長微環(huán)境，使細(xì)胞不斷生長。中空纖維是一種細(xì)微的管狀結(jié)構(gòu)，管壁為極薄的半透膜，富含毛細(xì)管，培養(yǎng)時纖維管內(nèi)灌流充以氧氣的無血清培養(yǎng)液，管外壁則供細(xì)胞黏附生長，營養(yǎng)物質(zhì)通過半透膜從管內(nèi)滲透出來供細(xì)胞生長；對于血清等大分子營養(yǎng)物，劃必須從管外灌入，否則會被半透膜阻隔不能被細(xì)胞利用；細(xì)胞的代謝廢物也可通過半透膜滲入管內(nèi)，避免了過量代謝物對細(xì)胞的毒害作用。
優(yōu)點是：
●占地空間少；
●細(xì)胞產(chǎn)量高，細(xì)胞密度可達109數(shù)量級；
●生產(chǎn)成本低，且細(xì)胞培養(yǎng)維持時間長，適用于長期分泌的細(xì)胞。
六、生物反應(yīng)器的設(shè)計和放大 設(shè)計的總體考慮是：
①結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，能耐受蒸汽滅菌，采用對生物催化劑無害和耐蝕材料制作，內(nèi)壁光滑無死角，內(nèi)部附件盡量減少，以維持純種培養(yǎng)需要；
②有良好的氣-液接觸和液-固混和性能和熱量交換性能，使質(zhì)量與熱量傳遞有效地進行；
③保證產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)量前提下，盡量節(jié)省能源消耗；
④減少泡沫產(chǎn)生，或附有消沫裝置以提高裝料系數(shù)，并有必要可靠的參數(shù)檢測和控制儀表并能與計算機聯(lián)機。
生物反應(yīng)器的放大：一種新的生物技術(shù)產(chǎn)品從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)的開發(fā)過程中，會遇到生物反應(yīng)器的逐級放大問題，每一級約放大10～100倍。生物反應(yīng)器的放大，表面看來僅是一個體積或尺度放大問題，實際上并不是那么簡單。
反應(yīng)器放大研究雖已提出了不少方法，但還沒有一種是普遍都能適用的。目前還只能是半理論半經(jīng)驗的，即抓住反應(yīng)過程中的少量關(guān)鍵性參數(shù)或現(xiàn)象進行放大。有關(guān)氧傳遞問題在生物反應(yīng)器中，氧的傳遞速率要滿足細(xì)胞對氧的攝取速率，并使反應(yīng)器中溶解氧的濃度CL要維持在一定水平上。這就是說，在穩(wěn)態(tài)情況下，供氧與需氧間存在下列關(guān)系：KLa(C*-CL)=r
此處， KLa為氧的傳遞系數(shù)；C*為相當(dāng)氣相氧分壓的溶氧濃度，CL為培養(yǎng)液中溶氧濃度，r為攝氧率。
影響供氧的因素從上式可知r=KLa(C*-CL)；因此影響供氧的因素總體上講是KLa和C*-CL值。
要增大C*-CL，無非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施，有適當(dāng)增加反應(yīng)器中操作壓力和增大氣相中的氧分壓兩個方法。在實際操作中，反應(yīng)器保持一定正壓，以防止大氣中的雜菌從軸封、閥門等處侵入，但在增加罐壓的同時，發(fā)酵代謝所產(chǎn)生的CO2也會更多地溶解于培養(yǎng)液而對發(fā)酵不利。至于CL值，一般不允許過分減小，因為細(xì)胞在生長中有一個臨界氧濃度，低于此臨界值，細(xì)胞的呼吸將受到抑制。
影響KLa的因素大致可分為三個方面：一是反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，包括相對幾何尺寸的比例；二是操作條件，如攪拌功率或循環(huán)泵功率的輸入量，通氣量等；三是培養(yǎng)或發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)，如流變特性，特別是其粘度或顯示粘度、表面張力、擴散系數(shù)、細(xì)胞形態(tài)、泡沫程度等。
生物反應(yīng)器中的傳熱在細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵過程中，熱量的釋放是普遍存在的。這是因為在培養(yǎng)或發(fā)酵過程中細(xì)胞與周圍環(huán)境的物質(zhì)產(chǎn)生新陳代謝，即發(fā)生異化（分解）作用和同化（合成）作用，而異化作用一般釋放能量，同化作用則是吸收能量。同化作用包括細(xì)胞生長、繁殖、產(chǎn)物形成所需能量來自細(xì)胞對培養(yǎng)基中的基質(zhì)及營養(yǎng)成分的異化。從熱力學(xué)角度講，異化所產(chǎn)生能量必然應(yīng)多于同化所需要能量，而多余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能釋放到周圍環(huán)境中去。無論是涉及細(xì)胞或酶的反應(yīng)中，釋放出的熱量都應(yīng)及時移去，以免影響過程的正常進行，為此在生物反應(yīng)器中一般都附有冷卻裝置。

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