Аэрация в Биореакторе

Из данной статьи вы узнаете об оптимизации процесса культивирования. Производители осуществляют это разными способами, в том числе с помощью аэрации. Одной из наиболее важных функций биореактора является доставка кислорода к клеткам с помощью процесса аэрации. Обычно под аэрацией понимается барботирование воздухом с последующим перемешиванием. На рисунке 1 показано уравнение реакции клеточного дыхания. Для осуществления этой реакции необходимо, чтобы глюкоза и кислород были растворены в культуральной жидкости и доступны для использования клетками.

Рис. 1. Уравнение реакции клеточного дыхания

В то время как растворимость глюкозы высока, растворимость кислорода очень низкая. Поэтому во время культивирования требуется постоянная подача этого газа и тщательный контроль растворенного кислорода. На рисунке 2 показаны уравнения роста биомассы и накопление белков. Глюкоза и кислород также необходимы для этих процессов.

Рис. 2. Уравнения роста биомассы и накопление белков

Так как кислород является лимитирующим фактором роста биомассы из-за его низкой растворимости, необходимо оптимизировать доставку кислорода к клеткам. Скорость, с которой кислород поступает в культуральную жидкость, называется коэффициентом массопередачи кислорода (OTR). Он остается эффективно постоянным для целого набора условий культивирования. Скорость, с которой клетки потребляют кислород, называется скоростью поглощения кислорода (OUR). В начале культивирования этот показатель низкий и увеличивается по мере увеличения плотности клеток. Скорость поглощения кислорода будет расти до тех пор, пока коэффициент массопередачи кислорода не станет лимитирующим фактором. Поэтому скорость, с которой кислород поступает в культуральную жидкость, определяет теоретический максимум плотности клеток (рис. 3.)

Рис. 3. Скорость, с которой кислород поступает в культуральную жидкость

Биотехнологи называют этот параметр коэффициентом массопереноса кислорода (k_La) или объемным коэффициентом массопереноса. k_La определяет, сколько кислорода доступно клеткам для их роста. Этот параметр необходим для оптимизации и для масштабирования процесса культивирования.

Коэффициент массопередачи кислорода (OTR) зависит от k_La и DO (концентрации растворенного кислорода в культуральной жидкости). На k_La можно повлиять с помощью определенных параметров процесса.

K_L – это коэффициент переноса жидкости, а a – это площадь поверхности соприкосновения воздуха и жидкости. На практике бывает сложно определить эти значения по отдельности, поэтому коэффициент K_La обычно определяют экспериментально. На рисунке 4 изображено уравнение для определения K_La.

 

Рис. 4. Уравнение для определения K_La

Чтобы понять, как происходит обмен кислорода, нужно измерить K_La именно в том биореакторе, в котором будет происходить культивирование, и именно с той питательной средой, которая будет использоваться.

На K_La влияют многие факторы. Чем выше скорость перемешивания, и, следовательно, растворимость кислорода, тем больше и K_La. Скорость перемешивания не должна быть слишком высокой, т.к. это будет пагубно влиять на клетки за счет силы сдвига. Подача воздуха. Чем выше подача воздуха, тем больше кислорода в культуральной жидкости. Это также называется удержанием газа. И чем это значение выше, тем больше K_La.

Размер пузырьков также влияет на K_La. Чем меньше размер пузырьков, тем они дольше остаются в культуральной жидкости и тем больше кислорода растворяется в ней. Это также называют продолжительностью пребывания пузырьков. Чем она выше, тем больше K_La.

Соли и другие ПАВ ослабляют поверхностное натяжение пузырьков, из-за чего их размер становится меньше, и увеличивается общая площадь поверхности. При этом увеличивается и K_La.

Оптимизация или увеличение K_La повышает коэффициент массопереноса кислорода и позволяет доставить к клеткам его максимальное количество. K_La – это критическое значение, которое должно поддерживаться на постоянном уровне при масштабировании процесса (рис. 5).

Рис. 5. Поддержание  K_La на постоянном уровне при масштабировании процесса

Кстати, вы можете прочитать статью о масштабировании на нашем сайте.