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動物細胞大規模培養的生物反應器

動物細胞培養技術能否大規模工業化、商業化，關鍵在于能否設計出合適的生物反應器（bioreactor）。由于動物細胞與微生物細胞有很大差異，傳統的微生物反應器顯然不適用于動物細胞的大規模培養。首先必須滿足在低剪切力及良好的混合狀態下，能夠提供充足的氧以供細胞生長及細胞進行產物的合成。
一、生物反應器分類
目前，動物細胞培養用生物反應器主要包括：轉瓶培養器、塑料袋增殖器、填充床反應器、多層板反應器、螺旋膜反應器、管式螺旋反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器、流化床反應器、中空纖維及其它膜式反應器、攪拌反應器、氣升式反應器等。
按其培養細胞的方式不同，這些反應可分為以下三類：
1.懸浮培養用反應器：如攪拌反應器、中空纖維反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器、氣升式反應器；
2.貼壁培養用反應器：如攪拌反應器（微載體培養）、玻璃珠床反應器、中空纖維反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器；
3.包埋培養用反應器：如流化床反應器、固化床反應器。
二、攪拌罐生長反應器 這是羅經典、最早被采用的一種生物反應器。此類反應器與傳統的微生物生物反應器類似，針對動物細胞培養的特點，采用了不同的攪拌器及通氣方式。通過攪拌器的作用使細胞和養分在培養液中均勻分布，使養分充分被細胞利用，并增大氣液接觸面，有利于氧的傳遞。現已開發的有：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、氣升式生物反應器
1979年首次應用氣升式生物反應器成功的進行了動物細胞的懸浮培養。氣升式生物反應器的優點：
●罐內液體流動溫和均勻，產生剪切力小，對細胞損傷較小；
●可直接噴射空氣供氧，因而氧傳遞率gao；
●液體循環量大，細胞和養分都能均勻分布于培養液中；
●結構簡單，利于密封并降低了造價。
常用的氣升式反應器有三種：內循環式氣升式、外循環式氣升式、內外循環式氣升式生物反應器。 
四、鼓泡式生物反應器
與氣升式反應器相類似，是利用氣體鼓泡來進行供氧及混合，其設計原理與氣升式生物反應器也相同。
五、中空纖維生物反應器 用途較廣，既可用于懸浮細胞的培養，又可用于貼壁細胞的培養。 
其原理是：模擬細胞在體內生長的三維狀態，利用反應器內數千根中空纖維的縱向布置，提供細胞近似生理條件的體外生長微環境，使細胞不斷生長。中空纖維是一種細微的管狀結構，管壁為極薄的半透膜，富含毛細管，培養時纖維管內灌流充以氧氣的無血清培養液，管外壁則供細胞黏附生長，營養物質通過半透膜從管內滲透出來供細胞生長；對于血清等大分子營養物，劃必須從管外灌入，否則會被半透膜阻隔不能被細胞利用；細胞的代謝廢物也可通過半透膜滲入管內，避免了過量代謝物對細胞的毒害作用。
優點是：
●占地空間少；
●細胞產量高，細胞密度可達109數量級；
●生產成本低，且細胞培養維持時間長，適用于長期分泌的細胞。
六、生物反應器的設計和放大 設計的總體考慮是：
①結構嚴密，能耐受蒸汽滅菌，采用對生物催化劑無害和耐蝕材料制作，內壁光滑無死角，內部附件盡量減少，以維持純種培養需要；
②有良好的氣-液接觸和液-固混和性能和熱量交換性能，使質量與熱量傳遞有效地進行；
③保證產物質量和產量前提下，盡量節省能源消耗；
④減少泡沫產生，或附有消沫裝置以提高裝料系數，并有必要可靠的參數檢測和控制儀表并能與計算機聯機。
生物反應器的放大：一種新的生物技術產品從實驗室到工業生產的開發過程中，會遇到生物反應器的逐級放大問題，每一級約放大10～100倍。生物反應器的放大，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驗的，即抓住反應過程中的少量關鍵性參數或現象進行放大。有關氧傳遞問題在生物反應器中，氧的傳遞速率要滿足細胞對氧的攝取速率，并使反應器中溶解氧的濃度CL要維持在一定水平上。這就是說，在穩態情況下，供氧與需氧間存在下列關系：KLa(C*-CL)=r
此處， KLa為氧的傳遞系數；C*為相當氣相氧分壓的溶氧濃度，CL為培養液中溶氧濃度，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，有適當增加反應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，發酵代謝所產生的CO2也會更多地溶解于培養液而對發酵不利。至于CL值，一般不允許過分減小，因為細胞在生長中有一個臨界氧濃度，低于此臨界值，細胞的呼吸將受到抑制。
影響KLa的因素大致可分為三個方面：一是反應器的結構，包括相對幾何尺寸的比例；二是操作條件，如攪拌功率或循環泵功率的輸入量，通氣量等；三是培養或發酵液的物理化學性質，如流變特性，特別是其粘度或顯示粘度、表面張力、擴散系數、細胞形態、泡沫程度等。
生物反應器中的傳熱在細胞培養和發酵過程中，熱量的釋放是普遍存在的。這是因為在培養或發酵過程中細胞與周圍環境的物質產生新陳代謝，即發生異化（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。同化作用包括細胞生長、繁殖、產物形成所需能量來自細胞對培養基中的基質及營養成分的異化。從熱力學角度講，異化所產生能量必然應多于同化所需要能量，而多余的能量則轉化為熱能釋放到周圍環境中去。無論是涉及細胞或酶的反應中，釋放出的熱量都應及時移去，以免影響過程的正常進行，為此在生物反應器中一般都附有冷卻裝置。

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