Статические и динамические системы для культивирования клеток млекопитающих
Серьёзный недостаток статических систем – низкая скорость массообмена и, как следствие, градиенты по питательным веществам, растворённому кислороду и углекислому газу. Для быстрорастущих культур клеток это становится лимитирующим фактором
Недостаток роллерной технологии – необходимость регулярного открывания крышки и возникновения в связи с этим риска контаминации
Основной недостаток культивирования в колбах и пробирках – невозможность контроля за условиями процесса, такими как уровень растворённого кислорода и рН
Устройство биореактора с механическим перемешивающим устройством.
Биореактор – сложная система
Блоки системы:
Поддержание гомогенности среды
Термостатирование
Мониторинг и поддержание DO
Мониторинг и поддержание рН
Поддержание стерильности
Подача нутриентов, отвод метаболитов
Пеногашение
Пробоотбор
Мониторинг биомассы, СО2 , глюкозы/лактата и пр
Поддержание гомогенности среды
Мешалка типа «морской винт» (marine impeller)
Термостатирование
терморубашка (водяная, электрическая)
термодатчик
контроллер
перемешивающее устройство
Мониторинг и поддержание DO (dissolved oxygen)
датчик растворённого кислорода (электрохимический, оптический)
контроллер
система подачи газов (воздух, кислород, азот)
Мониторинг и поддержание pH
датчик pH
контроллер
перистальтический насос для подачи титранта (щёлочь/бикарбонат)
контролируемая подача углекислого газа
Поддержание стерильности
герметичная конструкция биореактора
избыточное давление в биореакторе
стерилизующие воздушные фильтры на трубках входа и выхода газа
защита пробоотбора
Подача нутриентов/отвод метаболитов
перистальтические насосы (встроенные и внешние)
сепарирующие устройства для отделения клеток
Пеногашение
датчик пены
контроллер
перистальтический насос для подачи пеногасителя
Пробоотбор
погружная металлическая трубка пробоотбора
внешняя полимерная трубка с зажимом и стерильным шприцем на конце
спиртовая горелка (опционально)
Устройство биореактора с механическим перемешивающим устройством
Биореакторы с механическим перемешиванием являются одними из наиболее распространенных конструкций в современной микробиологической промышленности. Они оснащены механической мешалкой с центральным валом и лопастями (лопатками), которые обеспечивают эффективное перемешивание больших объемов жидкости.
Основные компоненты биореактора с механическим перемешиванием:
1. Механическая мешалка:
o Центральный вал: Основной элемент, вокруг которого вращаются лопасти.
o Лопасти (лопатки): Обычно их количество равно 6 или реже 8. Лопасти могут быть прямыми или изогнутыми, и располагаются в несколько ярусов для более эффективного перемешивания.
2. Отражательные перегородки:
o Узкие металлические пластинки: Прикреплены к внутренним стенкам биореактора.
o Функция: Предотвращают возникновение водоворотов и обеспечивают равномерное распределение вихревого движения жидкости по всему объему реактора. Однако они не всегда применимы, например, при культивировании мицелиальных грибов, так как могут обрастать микроорганизмами.
3. Система аэрации:
o Барботаж: Подача воздуха снизу через горизонтальную трубку с отверстиями для насыщения среды кислородом.
o Полые мешалки: Воздух поступает в среду культивирования через отверстия в нижнем конце валов и полых лопаток мешалки.
o Вибраторы: Обеспечивают высокую степень асептики, малый расход энергии и относительно слабое травмирование клеток.
4. Теплообмен:
o Система теплообмена: Регулирует температуру внутри биореактора, что важно для поддержания оптимальных условий для роста клеток.
5. Пеногашение:
o Устройства для пеногашения: Предотвращают образование пены, которая может мешать процессу перемешивания и аэрации.
6. Стерилизация:
o Система стерилизации: Обеспечивает поддержание асептических условий внутри биореактора, что критично для предотвращения загрязнения культур.
Особенности конструкции и работы:
Нежное и медленное перемешивание: В биореакторах, предназначенных для выращивания клеток животных и растений, используется более мягкое перемешивание для минимизации повреждения клеток.
Интенсивное перемешивание: Для эффективного распределения кислорода и питательных веществ по всему объему реактора.
Многоярусные лопасти: Расположение лопастей в несколько ярусов способствует более эффективному перемешиванию больших объемов жидкости.
Преимущества биореакторов с механическим перемешиванием:
Высокая эффективность перемешивания: Обеспечивает равномерное распределение кислорода и питательных веществ.
Гибкость в управлении процессами: Возможность настройки интенсивности перемешивания и аэрации в зависимости от потребностей культуры.
Широкое применение: Используются в различных областях, включая производство биотехнологических продуктов, культивирование клеток и ферментацию.