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参考答案:细胞培养生物反应器是整个过程的关键设备,它要为细胞提供适宜的生长环境并决定着细胞培养的质量和产量。按照动物细胞的生长要求, 具备低的剪切效应、较好的传递效果和流体力学性质是这类反应器设计或改进所必须遵循的原则。
1 搅拌式生物反应器
搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力,它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性, 因此在生物反应中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护, 因此对剪切作用十分敏感,直接的机械搅拌很容易对其造成损害, 传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以, 动物细胞培养中的搅拌式反应器都是经过改进的, 包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。
1. 1 供氧方式的改进
一般情况下, 搅拌式反应器还常伴有鼓泡, 为细胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪切也很敏感, 所以人们在供氧方式的改进上做了许多工作。
笼式供氧是搅拌式动物细胞反应器供氧方式的一种, 即气泡用丝网隔开, 不与细胞直接接触。反应器既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力, 以满足细胞生长的要求。北野昭一报道了一个经过改进的搅拌式动物细胞反应器, 整体呈梨形, 搅拌置于反应器底部, 在搅拌轴外装了一个锥形不锈钢丝网与搅拌轴一起转动。轴心处的鼓泡管在丝网内侧鼓泡, 丝网外侧的细胞不与气泡直接接触。
1. 2 搅拌桨的改进
搅拌桨的形式对细胞生长的影响非常大, 这方面的改进主要考虑如何减小细胞所受的剪切力。有人对搅拌桨的形式作了改进, 并在反应器内加装了辅件, 实验证明改进后的反应器适用于对剪切力敏感的细胞进行高密度培养。反应器采用了一个双螺旋带状搅拌桨, 顶部的法兰盖上安装了3 块表面挡板。每块挡板相对于径向的夹角为30°, 垂直插入液面。挡板的存在减小了液面上的旋涡。这个反应器维持了较小的剪切力, 实验中用于昆虫细胞的培养, 最终的培养密度达到6 ×106 个/ mL , 成活率在98 %以上。
2 非搅拌式生物反应器
搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大, 容易损伤细胞, 虽然经过各种改进, 这个问题仍很难避免。相比之下, 非搅拌式反应器产生的剪切力较小, 在动物细胞培养中表现出了较强的优势 .
2. 1 填充床反应器
填充是在反应器中填充一定材质的填充物, 供细胞贴壁生长。营养液通过循环灌流的方式提供, 并可在循环过程中不断补充。细胞生长所需的氧分也可以在反应器外通过循环的营养液携带, 因而不会有气泡伤及细胞。这类反应器剪切力小, 适合细胞高密度生长。
Park 等人在由填充床反应器和外循环装置构成的连续流动的培养系统中培养动物细胞。反应器中的填料是带有微孔的陶瓷珠粒, 细胞在微孔内生长, 同时培养液也可以在孔内扩散。实验证明该反应器适于动物细胞的高密度培养, 细胞终期密度应器适于动物细胞的高密度培养, 细胞终期密度达到了5 ×108 个/ mL 。
2. 2 中空纤维反应器
中空纤维反应器 由于剪切力小而广泛用于动物细胞的培养。这类反应器由中空纤维管组成, 每根中空纤维管的内径约为200μm , 壁厚为50～70μm。管壁是多孔膜, O2和CO2 等小分子可以自由透过膜扩散, 动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长, 可以很方便地获取氧分 。
John 等报道了一个用于大规模培养动物细胞的径向流中空纤维反应器。该反应器内有一个垂直的中央分配管, 外面由中空纤维管与分配管呈平行组成一个环状床层。培养液由中央分配管径向流过中空纤维床, 细胞在中空纤维外壁贴附并生长。空气和CO2 的混合气体在中空纤维间与培养液成错流流过床层, 向细胞提供氧分并维持一定的pH值环境, 细胞的代射物随气流带出。在这个反应器中细胞生长的表面密度可达7. 3 ×106 个/ cm2 。
2. 3 气升式生物反应器
气升式生物反应器(airlift bioreactor) 也是实现动物细胞高密度培养的常用设备之一, 其特点是结构简单, 操作方便。
有人在气升式反应器中利用微载体培养技术, 研究了Vero 细胞高密度培养的工艺条件。证明气升式反应器中悬浮微载体培养Vero 细胞, 在加入适量保护剂、营养供应充足的情况下,细胞可以正常生长至长满微载体表面, 终密度可达1. 13 ×106 个/ mL 。