Культура животных клеток - Конки Д.
ISBN 5-03-000359-2
Скачать (прямая ссылка):
Физические параметры включают в себя конфигурацию биореактора и его энергообеспечение. Функция перемешивающего ротора состоит в преобразовании энергии (выражаемой в кВт/м3) в гидродинамическое перемещение в трех направлениях (осевом, тангенциальном и радиальном). Ротор должен обеспечивать циркуляцию во всем объеме жидкости и создавать турбулентность (он должен и качать, и смешивать) для решения следующих задач: создания гомогенной смеси, поддержания клеток в суспензии, оптимизации скорости переноса массы меж-
ду различными фазами системы (биологической, жидкой и газовой), облегчения теплопередачи.
Эффективное перемешивание становится все более сложной проблемой при увеличении объема культуры, и особые проблемы связаны с рассеиванием энергии, подводимой для поддержания гомогенности. Лимитирующим фактором является энер-
Рис. 3.12. Вращательные сосуды. (А) Сосуд Биокул фирмы LH Fermentation (1—20 л); (Б) Вращательные сосуды фирм Bellco н Wheaton (25 мл — 2 л); (В) Вращательный ц-сосуд фирмы Bellco (25 мл — 2 л); (Г) Сосуд фирмы Techne (0,25—5 л); (Д) Цитостат фирмы Techne (1 л).
гия, генерируемая на концах лопастей мешалки, поскольку эта энергия является источником повреждающих сил сдвига. Силы сдвига создаются изменяющимися скоростями тока жидкости в участках турбулентности. Факторами, которые влияют на этот процесс,, являются: форма ротора (она определяет первичное направление индуцированного тока жидкости) (рис. 3.8), отношение диаметров ротора и сосуда, скорости вращения концов лопастей мешалки (функция скорости вращения и диаметра лопастей). Чем выше турбулентность, тем эффективнее оказывается перемешивание, но, чтобы не повреждать клетки, следует
А
Б
в
г
д
добиваться компромисса. Большие роторы, вращающиеся с низкой скоростью, создают низкую силу сдвига и обладают высокой перекачивающей способностью, тогда как маленькие роторы требуют высоких скоростей вращения и создают высокую силу сдвига. Это явилось предпосылкой для создания мешалок спирального типа [20].
Магнитный стержень индуцирует только радиальные перемещения и не вызывает подъема жидкости и турбуленций. Ротор типа морского винта более эффективен в суспензионных культурах, чем ротор типа турбины с плоскими лопастями, применяемый во многих бактериальных системах, поскольку ротор типа винта обеспечивает лучшее перемешивание при низких скоростях вращения. Если клетки слишком хрупки или если достаточное перемешивание не может быть достигнуто при скоростях, не создающих еще повреждающих сил сдвига, следует прибегнуть к другим системам перемешивания с использованием пневматической энергии (перемешивание при пробулькивании воздуха, как, например, в ферментёрах с воздушным лифтом) или гидравлической энергии (перфузия средой). Использование этих методов позволяет увеличивать масштаб культивирования без повышения подводимой мощности. Для увеличения эффективности механического перемешивания можно изменить конструкцию лопастей мешалки (как, например, в случае культур с микроносителями) или использовать несколько роторов. Некоторые примеры приведены на рис. 3.8.
Совершенно иная концепция перемешивания применена в Вибро-миксере. Здесь использован невращающийся вибратор, создающий перемешивание среды за счет реципрокных вертикальных перемещений с амплитудой 0,1—3 мм и с частотой 50 Гц. Перемешивающий диск монтируется на валу вибратора в горизонтальном положении, и конические отверстия в диске придают ему накачивающее действие при вертикальном перемещении вала туда и обратно. Привод вала к двигателю осуществляется с помощью эластичной диафрагмы в верхней части культурального сосуда. Система ферментации, использующая этот принцип, поставляется фирмами Vibro-Fermenter, Chemap. Преимущества этой системы заключаются в заметно сниженных силах сдвига, беспорядочном смешивании, снижении вспенивания и снижении потребляемой энергии, что особенно важно при увеличении масштабов культивирования.
Переход от магнитных мешалок к системам с прямым приводом оказал заметное влияние на конструкцию сосудов, поскольку в последнем случае привод должен проходить через сосуд. Это несколько усложняет конструкцию, так как возникает необходимость в создании асептической переходной муфты со смазывающимися подшипниками для привода в верхней или нижней крышке сосуда.
Увеличение масштаба культивирования не является пропорциональным процессом. Скажем, преобразование 1-литрового реактора в 1000-литровый не может быть осуществлено простым соответствующим увеличением всех его размеров. Причины этого чисто математические: увеличение диаметра сосуда в
2 раза сопровождается 4-кратным увеличением объема, что различными путями влияет на разные физические параметры системы. Одним из факторов, которые следует принимать во внимание, является отношение высоты к диаметру — один из наиболее важных параметров при создании ферментёров.
В системах с пробулькиванием воздуха чем выше ферментёр по отношению к его диаметру, тем лучше, поскольку увеличивается давление на дне сосуда (что стимулирует растворение кислорода) и время жизни пузырьков продлевается. Однако в иепро-булькиваемых системах, часто используемых при работе с животными клетками и зависящих от поверхностной аэрации, более важным является отношение площади поверхности к высоте жидкости, и это отношение должно поддерживаться около 1 : 1.
